Antimicrobial Effect of Olive Leaf Products of Extracted from Different Variety of Olive Leaves on Escherichia coli O157:H7

and Salmonella TyphimuriumS. Topuz1, M. Bayram*1

1Department of Food Engineering, Faculty of Natural Sciences and Engineering, Tokat Gaziosmanpaşa University, Tokat, Turkey

Abstract Oleuropein is heterosidic ester of elenolic acid and 3,4-dihydroxyphenylethanol that is a predominant phenolic compounds in olive leaves. The content of phenolic compounds and oleuropein in olive leaf is different from depending on some conditions such as variety, climate, geographical region. In this study it was aimed to determine minimum inhibitory concentrations (MICs) on E. coli O157:H7 and S. Typhimurium of olive leaf crude extract, partially purified oleuropein, purified oleuropein samples which are obtained from different olive leaves. Olive leaves belonging of Domat, Edremit and Trilye varieties were gathered in Aegean Region (Manisa Province) in August. Olive leaf crude extract was obtained solid-liquid extraction technique by using methanol. Partially purified oleuropein extract was obtained from crude olive leaf extract. After than, partially purified oleuropein extract was fractionated on Sephadex LH-20 and determined some fractions were combined. Thus, purified oleuropein extract was obtained. Antimicrobial activity of 10 % (w/v) solutions of these extracts were determined against test microorganisms by MIC "Gradient Plate" method. The MIC values of these products were found ranging from between 1:2 (5 %) to 1:16 (0,625 %) for S. Typhimurium. The MIC values of these products were found ranging from between 1:1 (10 %) to 1:4 (2,5 %) for E. coli O157:H7. Partially purified oleuropein and purified oleuropein were found to be more effective on E.coli O157:H7 and S. Typhimurium than olive leaf crude extracts. The results of MIC tests indicated that olive leaf crude exract, partially purified oleuropein, purified oleuropein showed inhibitory effect on test microorganisms. Keywords: Olive leaf, oleuropein, minimum inhibitory concentration (MIC), Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium

1.GİRİŞ

Zeytin, botanik orijin sınıflandırma sistemine göre 29 cinse ve yaklaşık 600 türe sahip Oleaceae familyasının [1], Olea cinsinin Olea europa türünün Olea europa sativa alt türüne dahildir [2]. Dünyanın pek çok yerinde yetiştirilen zeytin ağacının temel alanı % 98 üretim payı ile Akdeniz Bölgesi’dir [3]. Türkiye’de ise tarım yapılan alanlarımızın yaklaşık %2’sini; bağ, bahçe tarımı yapılan alanlarımızın ise yaklaşık %22’sini zeytin tarımı yapılan alanlar oluşturmaktadır. Bölgelerimizde zeytin ağaç sayısı ve üretim miktarı çoktan aza doğru Ege Bölgesi, Marmara Bölgesi, Akdeniz Bölgesi, Güneydoğu Anadolu Bölgesi ve Karadeniz Bölgesi şeklinde sıralanmaktadır [4]. Zeytin ağacı yetiştiriciliğinde ve zeytin işleme endüstrisinde çok sayıda atık madde meydana gelmektedir. Bu atık ürünlerin birçoğu pratik uygulamalara sahip değildir. Zeytin yaprağı da, bu atık ürünlerden birisidir ve fenolik bileşiklerin potansiyel bir kaynağıdır [5]. Zeytin yaprağının antioksidan [6], antimikrobiyal [7], hipokolesterolemik [8], kardiyoprotektif [9] gibi birçok etkiye sahip olduğu bildirilmektedir. Zeytin yaprağının sahip olduğu bu yararlı etkiler yapısında bulunan fenolik bileşiklerle ilişkilendirilmektedir [3]. Zeytin yapraklarının en baskın fenolik bileşiği oleuropeindir [10]. Oleuropein bileşiği ilk kez 1908 yılında Bourquelot ve Vintilesco tarafından keşfedilmiş ve bu bileşiğin yapısı ise 1960 yılında tanımlanmıştır [11] Elenolik asit ve 3,4-dihidroksifeniletanolün heterozidik esteri olan oleuropein, zeytin meyvesi ve yaprağında doğal olarak bulunmaktadır [12]. Bu molekül hidroksitirisol olarak bilinen 4-(2-hidroksietil) benzen-1,2-diol,

* Corresponding author. Tel.: +90 356-252-1616/2886: fax: +90 356-252-1729. E-mail address: mustafa.mbayram@gop.edu.tr (M. Bayram).

880

elonolik asit olarak adlandırılan sekoiridoid ve glikoz molekülü olmak üzere üç yapısal birimden oluşmaktadır [13]. Oleuropeini önemli kılan nedenlerden biri de sahip olduğu antimikrobiyal etkidir [14]. Çünkü günümüzde, gıda kaynaklı patojenler çeşitli gıdalar aracılığıyla insan sağlığına önemli derecede olumsuz etkide bulunan salgınlara neden olabilmektedir. Bu nedenle, gıda kaynaklı patojenlerin kontrolü gıda endüstrisi için büyük önem arz etmektedir. Gıda kaynaklı patojenler, sentetik ve doğal antimikrobiyal bileşikler olarak sınıflandırılabilen gıda koruyucularının kullanılması ile kontrol altına alınabilmektedir. Bitkisel antimikrobiyal maddeler, sentetik gıda koruyucularına kıyasla, genellikle daha güvenli olarak kabul edilmekte ve insan sağlığına yararlı etkileri olabileceğinden daha fazla dikkat çekmektedir [15]. Oleuropein antimikrobiyal etkisini, diğer fenolik bileşiklerde olduğu gibi bakteriyel membranlara zarar vererek veya hücrenin peptidoglukan tabakasını bozarak göstermektedir. Oleuropein ve membran lipitler arasındaki etkileşimi tam anlamıyla açıklayabilmek için birçok çalışma yapılmıştır. Bazı araştırmacılara göre bu etkinin nedeni oleuropeinin sahip olduğu orto-difenol yapısıdır. Ancak oleuropeinin antimikrobiyal mekanizması henüz kesin olarak aydınlatılamamıştır [16]. Bu çalışmada, farklı zeytin çeşidi yapraklarından elde edilen zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeinin E. coli O157:H7 ve S. Typhimurium’a karşı minimum inhibisyon konsantrasyonunun (MİK) belirlenmesi amaçlanmıştır Bu amaçla, (i) zeytin yaprağından; zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropein elde edilmesi, (ii) elde edilen ekstraktların E.coli O157:H7 ve S. Typhimurium’a karşı antimikrobiyal etkisinin ve MİK değerinin tespit edilmesi hedeflenmiştir.

2. MATERYAL ve METOT

2.1. Materyal

2.1.1. Bitkisel Materyal

Araştırmada, oleuropein bileşiğinin ekstraksiyonu ve saflaştırılması için aynı yetiştirme koşulları altında ve aynı bölgede (Ege Bölgesi) ve aynı yörede (Manisa, Tilkisüleymaniye Köyü) bulunan 3 farklı çeşit (Domat, Edremit, Trilye) zeytin ağacına ait zeytin yaprakları 2017 yılının Ağustos ayında toplanmıştır. Toplanan zeytin yaprakları kurutulmuş ve polipropilen torbalar içerisinde Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Kimya Bölümü, Bitki Araştırma Laboratuvarına getirilmiştir. Zeytin yaprakları ekstraksiyon işlemine kadar polipropilen torbalar içerisinde, laboratuvar koşullarında saklanmıştır.

2.1.2. Kimyasal Materyal Metanol, etil asetat, Tekkim (Bursa), % 80 saflıktaki oleuropein, Sigma-Aldrich (Almanya), triptik soy agar, triptik soy broth, Lab M (Lancashire, İngiltere) bakteriyolojik pepton, Laboratorios Conda (İspanya) firmalarından temin edilmiştir.

2.1.3. Test Kültürleri

Araştırma kapsamında Escherichia coli O157:H7 (ATCC 25922), Salmonella Typhimurium (ATCC 14028), Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü, Mikrobiyoloji Laboratuvarından temin edilmiştir. Analizler öncesi S. Typhimurium ve E.coli O157:H7 37±2°C’de, 18-24 saat triptik soy broth besiyerinde iki kez geliştirilerek aktive edilmiştir.

2.2. Metot

2.2.1. Zeytin Yaprağından Ekstraktların Elde Edilmesi

Zeytin Yaprağı Ham Ekstrakt Eldesi: Öğütülmüş zeytin yapraklarından 200 g ekstraksiyonun yapılacağı kaba tartılmış daha sonra numune üzerine 1 L metanol eklenmiş ve oda sıcaklığında 5 saat ekstraksiyona bırakılmıştır. Ekstraksiyon işlemi sonunda, ekstrakt filtre edilerek elde edilen süzüntü toplama kabına alınmıştır. İlk ekstraksiyon sonrası kalan posa 2 kez daha aynı ekstraksiyon işlemine tabi tutulmuştur. 3 ekstraksiyon işlemi sonrasında elde edilen süzüntüde bulunan metanol, rotary evaporatör de uzaklaştırılmıştır.

Kısmi Saflaştırılmış Oleuropein Eldesi: Zeytin yaprağı ham ekstraktından bir miktar behere tartılıp üzerine sıcak su eklenmiş ve ekstraktın sıcak suda çözünmesi sağlanmıştır. Daha sonra kaba filtre kağıdı yardımı ile süzme işlemi gerçekleştirilmiştir. Filtrasyon sonrasında elde edilen süzüntü etil asetat ile karıştırılıp, çalkalanmış ve karışım ayırma hunisine alınmıştır. Sıvı-sıvı ekstraksiyon sonrasında ayırma hunisinden ayrılan etil asetatlı kısım rotary evaporatörde uzaklaştırılmıştır.

Saflaştırılmış Oleuropein Eldesi: Kısmi saflaştırılmış oleuropeinden metanolde çözündürülmüş ve Sefadeks LH-20 üzerinde fraksiyonlandırılmıştır. Hareketli faz olarak metanol kullanılmıştır.

881

Oleuropein içeren fraksiyonlar ince tabaka kromatografi (TLC) yardımı ile belirlenmiştir. Ticari firmadan temin edilen oleuropeinin fraksiyonlarının TLC’de belirlenmesiyle toplanacak fraksiyonlar saptanmıştır. Oleuropein bileşiği olduğu tespit edilen fraksiyonlarda bulunan metanol rotary evaporatör yardımı ile uzaklaştırılmıştır.

2.2.2. Ekstraktların E. coli O157:H7 ve S. Typhimurium’a Karşı Minimum İnhibisyon Konsantrasyonlarının (MİK) Belirlenmesi Farklı zeytin çeşidi yapraklarından elde edilen zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeinin destile su ile % 10’luk çözeltileri hazırlanmış ve E.coli O157:H7 ve S. Typhimurium’a karşı antimikrobiyal aktivitesi MİK "Gradient Plate" yöntemi ile belirlenmiştir [17].

3. BULGULAR VE TARTIŞMADomat çeşidine ait zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeininE.coli O157:H7 için sırası ile 1:1 (%10), 1:4 (%2.5), 1:4 (%2.5) olarak belirlenirken, S. Typhimurium içinMİK değerleri sırası ile 1:2 (%5), 1:8 (% 1.25), 1:8 (% 1.25) olarak tespit edilmiştir.Edremit çeşidine ait zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmışoleuropeinin E.coli O157:H7 için sırası ile 1:1 (%10), 1:4 (%2,5), 1:2 (%5) olarak belirlenirken, S.Typhimurium için MİK değerleri sırası ile 1:2 (%5), 1:16 (% 0.625), 1:8 (% 1.25) olarak tespit edilmiştir.Trilye çeşidine ait zeytin yaprağı ham ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeininE.coli O157:H7 için ise sırası ile 1:1 (%10), 1:2 (%5), 1:2 (%5) olarak belirlenirken, S. Typhimurium içinMİK değerleri sırası ile 1:2 (%5), 1:8 (% 1.25), 1:8 (% 1.25) olarak tespit edilmiştir.

Tablo. I. Ekstraktların test mikroorganizmalarına karşı belirlenen MİK değerleri

Kullanılan Antimikrobiyal Bileşik Test Mikroorganizmaları

E. coli O157:H7 S. Typhimurium

Domat (Zeytin Yaprağı Ham Ekstraktı) 1:1 (%10) 1:2 (%5)

Edremit (Zeytin Yaprağı Ham Ekstraktı) 1:1 (%10) 1:2 (%5)

Trilye (Zeytin Yaprağı Ham Ekstraktı) 1:1 (%10) 1:2 (%5)

Domat (Kısmi Saflaştırılmış Oleuropein) 1:4 (%2,5) 1:8 (%1.25)

Edremit (Kısmi Saflaştırılmış Oleuropein) 1:4 (%2,5) 1:16 (%0,625)

Trilye (Kısmi Saflaştırılmış Oleuropein) 1:2 (%5) 1:8 (%1.25)

Domat (Saflaştırılmış Oleuropein) 1:4 (%2,5) 1:8 (%1.25)

Edremit (Saflaştırılmış Oleuropein) 1:2 (%5) 1:8 (%1.25)

Trilye (Saflaştırılmış Oleuropein) 1:2 (%5) 1:8 (%1.25)

Gökmen ve ark. [18] piyasadan temin ettikleri ticari zeytin yaprağı ekstraktının 10 bakteriye karşı (Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus Enterococcus faecalis, Proteus vulgaris, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter sakazakii, Escherichia coli O157, Salmonella Typhimurium) antimikrobiyal etkisini araştırmıştır. Antimikrobiyal aktivite disk difüzyon metodu ve mikrodilüsyon metodu ile belirlenmiştir. Araştırma sonucunda S. Typhimurium’a karşı zeytin yaprağı ekstraktının inhibisyon zon çapı 13.33±2.08, MİK değeri ≥16 mg/mL olarak tespit edilmiştir. E.coli ve E. coli O157 için inhibisyon zon çapları sırası ile 18.00±1.00; 17.67±0.58 olarak belirlenmiştir. MİK değerleri ise E.coli için ≥16 mg/mL, E.coli O157 için ≥32 mg/mL olarak tespit edilmiştir.Aliabadi ve ark. [19] zeytin yapraklarından su yardımı ile ekstrakt elde etmiş ve bu ekstraktın Staphylococcusaureus, Salmonella Typhimurium, E. coli, Klebsiella pneumonia ve Bacillus cereus’a karşı antimikrobiyalaktivitesini agar kuyu difüzyon metodu ile belirlemiştir. Zeytin yaprağı ekstraktının(50 mg/mL) en yüksek antimikrobiyal aktivitesini 11.5 mm inhibisyon zon çapı ile SalmonellaTyphimurium’a karşı gösterdiği tespit edilmiştir.Liu ve ark. [15] konsantrasyonu 62.5 mg/mL olan zeytin yaprağı ekstraktının E. coli O157:H7 gıda kaynaklıbu patojenin büyümesini neredeyse tamamen inhibe ettiğini tespit etmiştir.Heidari-Soureshjani ve ark. [20] zeytin yağı, susam yağı ve bu iki yağın kombinasyonun E. coli üzerineantimikrobiyal etkisini broth mikro dilusyon yöntemiyle araştırmıştır. Zeytinyağı için MİK değeri 16 mg/mLbelirlenirken, susam yağı için ise 64 mg/mL olarak belirlenmiştir. İki yağın karışımında ise MİK değeri yine64 mg/mL olarak belirlenmiştir.Su ve metanol kullanılarak zeytin yaprağından elde edilen ekstraktın E. coli’ye karşı antimikrobiyalaktivitesinin araştırıldığı bir çalışmada; 50 mg/mL konsantrasyonunda metanolik ekstraktın E. coli’ye karşı

882

oluşturduğu inhibisyon zonu 10.5 mm olarak belirlenirken, sulu ekstraktın E. coli’ye karşı oluşturduğu inhibisyon zonu 5.0 mm olarak belirlenmiştir [21]. Dominciana ve ark. [22] tarafından oleuropein, ticari dezenfektan ve bu ikisinin kombinasyonunun E. coli için MİK değerleri araştırılmıştır. Bakteri süspansiyonu (108 kob/mL), oleuropein (0.4 mg/mL), perasetik asit ( % 2.0), benzalkonium klorit (%1.0), klorheksidin diglukonat (% 2.0), sodyum hipoklorit (% 2.0) ve hidrojen peroksit (% 3.0) solüsyonları kullanılmıştır. Oleuropein, paraasetik asit, benzalkonium klorit, klorheksidin diglukonat, sodyum hipoklorit ve hidrojen peroksit için MİK değerleri sırası ile 0.2; 0.312; 0.156; 0.312; 2.5; 0.234 olarak tespit edilmiştir. Ayrıca oleuropein ve ticari dezenfektanları kombinasyonunda ise bakterisidal etkinin arttığı tespit edilmiştir.

4. SONUÇ

Çalışma sonucunda; zeytin yaprağı ekstraktı, kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeininE.coli O157:H7 ve S. Typhimurium’a karşı antimikrobiyal etkisinin bulunduğu tespit edilmiştir. Test edileniki mikroorganizma için de kısmi saflaştırılmış oleuropein ve saflaştırılmış oleuropeinin antimikrobiyalaktivitesi, zeytin yaprağından elde ekstrakta göre daha etkin bulunmuştur. Salmonella Typhimurium’unE.coli O157:H7’ye nazaran zeytin yaprağından elde edilen bu ürünlere karşı daha duyarlı olduğu tespitedilmiştir.

TEŞEKKÜR

Bu çalışma, Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (GOÜ-BAP) Birimi tarafından 2017/98 nolu proje ile desteklenmiştir. Katkılarından dolayı GOÜ-BAP birimine teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR [1] Elgin-Cebe, G., Konyalıoğlu, S. ve Zeybek, U., Oleaeuropaea var. europaea (Zeytin) Yaprak İnfüzyonunun

Antioksidan Etkisi, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 49 (3); 209-212, 2012.

[2] Boskou, D., Olive oil chemistry and technology. History and characteristics of the olive tree. AOCS Press, Champaign,

İllinois p:1 – 6, 1996.

[3] Vogel, P., Kasper, Machado, I., Garavaglia, J., Zani, V.T., de Souza, D. and Morelo S.D.B., Polyphenols benefits of

olive leaf (Olea europaea L) to human health, Nutricion Hospitalaria 31(3); 1427-1433, 2014.

[4] Menduh, B., Zeytin, Zeytin Çekirdeği ve Zeytin Yaprağındaki Oleuropein Bileşiğinin İzolasyonu ve Miktarlarının

Karşılaştırılması. (Yüksek Lisans Tezi), Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, 2015.

[5] Talhaoui, N., Vezza, T., Gómez-Caravaca, A. M., Fernández-Gutiérrez, A., Gálvez, J. and Segura-Carretero, A.,

Phenolic compounds and in vitro immunomodulatory properties of three Andalusian olive leaf extracts, Journal of

Functional Foods (22); 270-277, 2016.

[6] Benavente-Garcia, O., Castillo, J., Lorente, J., Ortuno, A. and Del Rio, J. A., Antioxidant activity of phenolics extracted

from Olea europaea L. Leaves, Food Chemistr, 68 (4); 457-462, 2000.

[7] Korukluoğlu, M., Şahan, Y., Yiğit, A., Tümay-Özer, E. ve Gücer, Ş., Antibacterial activity and chemical constitutions

of Olea europaea L. leaf extracts, Journal of Food Processing and Preservation (34); 383–396, 2010.

[8] Jemai, H., El Feki, A. and Sayadi, S., Antidiabetic and antioxidant effects of hydroxytyrosol and oleuropein from olive

leaves in alloxan-diabetic rats, Journal of Agricultural and Food Chemistry 57(19); 8798-8804, 2009.

[9] Nekooeian, A.A., Khalili, A. and Khosravi, M.B., Oleuropein offers cardioprotection in rats with simultaneous type 2

diabetes and renal hypertension, Indian journal of pharmacology 46(4); 398, 2014.

[10] Bouaziz, M. and Sayadi, S., Isolation and evaluation of antioxidants from leaves of a Tunisian cultivar olive

tree, European Journal of Lipid Science and Technology 107(7‐8); 497-504, 2005.

[11] Panizzi, L., Scarpati, M.L. and Oriente, G., Chemical structure of oleuropein, bitter glucoside of olive with

hypotensive activity, Gazzetta Chimica Italiana (90); 1449-1485, 1960.

[12] Iraqı, R., Vermeulen, C., Benzekrı, A., Bouseta, A. and Collin, S., Screening for Key Odorants in Moroccan Green

Olives by Gas Chromatography-Olfactometry/Aroma Extract Dilution Analysis, Journal of Agricultural Food Chemistry

(53); 1179-1184, 2005.

[13] Omar, S.H., Cardioprotective and neuroprotective roles of oleuropein in olive, Saudi Pharmaceutical Journal (18);

111–121, 2010.

883

[14] Sanchez, J.C., Alsina, M.A., Herrlein, M.K. and Mestres, C., Interaction between the antibacterial compound,

oleuropein, and model membranes, Colloid Polymer Science (285); 1351–1360, 2007.

[15] Liu, Y., McKeever, L. C., & Malik, N. SAssessment of the antimicrobial activity of olive leaf extract against

foodborne bacterial pathogens, Frontiers in microbiology 8, 113, 2017.

[16] Omar, S.H., Oleuropein in Olive and its Pharmacological Effects, Scientia Pharmaceutica (78); 133–154, 2010.

[17] Karabıyıklı, Ş. and Öncül N., Inhibitory effect of unripe grape products on foodborne pathogens, Journal of FoodProcessing and Preservation, 40(6); 1459-1465, 2016. [18] Gokmen, M., Kara, R., Akkaya, L., Torlak, E., & Onen, A., Evaluation of antimicrobial activity in olive (Olea

europaea) leaf extract Am J Microbiol, 5(2); 37-40, 2014.

[19] Aliabadi, M. A., Darsanaki, R. K., Rokhi, M. L., Nourbakhsh, M., & Raeisi, G., Antimicrobial activity of olive leaf

aqueous extract Annals of Biological Research, 3(8); 4189-4191, 2012.

[20] Heidari-Soureshjani, R., Gholipour, A., Obeidavi, Z., Jafari, A., Abbasi, S., & Madmoli, Y., Bactericidal and

Bacteriostatic effect of sesame oil, olive oil and their synergism on Escherichia coli in vitro Advanced Herbal Medicine,

2016.

[21] Dada, E. O., Antibacterial Activities of Olea europaea Leaf Extract on Some Bacteria Isolated from a Refused Dump

Site in Akure, Nigeria, Journal of Biology 1(6); 118-124, 2013.

[22] Dominciano, L. C. C., Oliveira, C. A. F., Lee, S. H., & Corassin, C. H., Individual and combined antimicrobial activity

of oleuropein and chemical sanitizers, J Food Chem Nanotechnol 2(3); 124-127, 2016.

884

Effects of Oak Chips Addition on the Individual Phenolic Compounds of Grape Vinegar in Maturation Process

M. Bayram1*, S. Topuz1, C. Kaya1

1Department of Food Engineering, Faculty of Natural Sciences and Engineering, Tokat Gaziosmanpaşa University, Tokat, Turkey

Abstract In this study, it was aimed to investigate the effect of the addition of oak chips on the phenolic compound profile of grape vinegars. Total acidity, volatile acidty, non-volatile acidity, pH, dry extract, ash, colour, alcohol, total phenolic compound and individual phenolic compounds were analysed in vinegars. Total amount of phenolic compounds increased in the oak chips added vinegar in the study at the end of maturation process. Quinic acid was the highest individual phenolic compound in all vinegars. Catechin and gallic acid were the most present phenolic compounds respectively after quinic acid. The amount of gallic acid, catechin and vanillic acid were determined 8.43 mg/L, 22.26 mg/L, 1.78 mg/L in control samples respectively. At the end of the third month gallic acid, catechin and vanillic acid were determined 19.12 mg/L, 17.98 mg/L, 2.58 mg/L respectively in oak chips added vinegar. At the end of the maturation period, the amount of gallic acid and vanillic acid increased in oak chips added vinegar.

Keywords: grape, vinegar, oak chips, phenolic compound

1. GİRİŞ

Sirke, ilk aşamada fermente edilebilir şekerlerin mayalar (Saccharomyces spp.) tarafından etanole, daha sonra ise, etanolün asetik asit bakterileri (Acetobacter spp.) tarafından asetik asite dönüştürülmesi ile üretilmektedir [1]. Bilinen en eski sirke kullanımı 10.000 yıl öncesine dayanmaktadır. Sirke hemen hemen 5000 yıldır ticari bir ürün olarak üretilip satılmaktadır [2]. Sirke, bazı toplumlar tarafından eski çağlardan beri sulandırılarak serinletici bir içecek olarak tüketilmekte ayrıca salata sosları, ketçap, mayonez gibi gıda ürünlerinde lezzetlendirme ve muhafaza süresini arttırma amacıyla kullanılmaktadır. Son zamanlarda yapılan araştırmalarda, sirkenin antimikrobiyal, antioksidan [3], antidiyabetik [4], antikanserojenik [5], antihipertansif [6], antikolesterolemik [7], etkilere sahip olduğu tespit edilmiştir. Günlük yaşamımızda pek çok kullanım olanağı bulunan sirke ayrıca ekonomik açıdan ucuz bir üründür. Fakat balzamik sirke gibi yıllandırma işlemi gerektiren sirkeler, diğer sirkeler ile karşılaştırıldığında daha yüksek ekonomik değere sahiptir [8].

Tahta fıçılar, şarap ve diğer içecekleri olgunlaştırmak için yüzyıllardır kullanılmaktadır [9]. Kaliteli şarap sirkelerinin yıllandırma işlemi akasya, kiraz, kestane ve meşe ağacından yapılan fıçılarda gerçekleştirilmektedir [10]. Bunlar arasında kullanımı en yaygın olan ise meşe ağacından yapılan fıçılardır [11]. Meşe ağacından yapılan fıçıların ise başlıca iki kaynağı , Amerikan meşesi (Quercus alba) ve Fransız meşesi (Quercus robur veya Quercus petraea) dir. Bu iki türün kimyasal bileşimleri incelenmiş ve birbirinden farklı oldukları tespit edilmiştir [12]. Botanik olarak tür farklılığının yanı sıra coğrafi orijin, meşeden sirkeye geçebilecek bileşiklerin içeriği üzerine önemli bir etkide bulunmaktadır [13]. Meşe tahta dokusunun bileşimi % 40 selüloz, % 20 hemiselüloz, % 25 lignin, % 10 elajitanen, % 5 diğer (lipitler, steroller, uçucu bileşenler, mineraller) bileşiklerden oluşmaktadır [14]. Meşe dokusunda bulunan fenolik bileşikler üç ana gurupta incelenir; Bunlar uçucu fenoller, fenolik asitler ve aldehitler, tanenlerdir. Tanenler de kendi içerisinde hidrolize olabilen ve olmayan olmak üzere ikiye ayrılmaktadır [15]. Fıçıda olgunlaştırma süresi boyunca bir

* Corresponding author. Tel.: +90 356-252-1616/2886: fax: +90 356-252-1729. E-mail address: mstfbayram@gop.edu.tr (M. Bayram).

885

kısım tanenler (gallotanenler, elajitanenlerin hidrolizi ile oluşan elajik ve gallik asitler), ligninin parçalanması sonucu oluşan fenolik asitler ve fenolik aldehitler, serbest fenolik asitler (vanilik, şirincik, ferulik asit); fıçının yakılması esnasında selülozun dönüşümü sonucu ortaya çıkan furfural ve hidroksimetilfurfural türü bileşikler fıçıdan ürüne geçer [14].

Meşe fıçılar yüzyıllar boyunca kullanılmasına rağmen bazı dezavantajlara da sahiptir. Birincisi meşe fıçıda olgunlaşma işlemi çok uzun zaman alan bir süreçtir. İkincisi fıçılar çok pahalıdır, çok fazla alan kaplamaktadır ve ayrıca zamanla değiştirilmesi gerekmektedir. Üçüncü olarak fıçılara zamanla Brettanomyces ve Dekkera gibi istenmeyen mikroorganizmalar kontamine olabilmektedir [16]. Ayrıca, fıçıların tekrar tekrar kullanılması ile fıçıdan geçebilecek bileşik miktarı zamanla azalmaktadır. Bu nedenle, olgunlaştırma işlemini kısaltan, maliyeti azaltan, ahşap kökenli fenolik ve aroma bileşiklerin geçişini sağlayan daha basit yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır [17]. Bu tekniklerden biri, yaygın olarak meşe yongası (chips) olarak bilinen küçük ahşap parçaların, paslanmaz çelik tanklarda veya fıçılarda bulunan şarap veya sirkeye üretimin farklı aşamalarında eklenmesiyle uygulanabilmektedir [17]. Meşe yongası hazırlamada meşe parçalarına ön işlem olarak suda kaynatma ve ısıl işlem uygulanmaktadır. Meşe yongalarına uygulanan ön işlem, meşe yongası boyutu ve miktarı meşeden sirkeye geçebilecek bileşiklerin çeşit ve miktarını etkilemektedir [18]. Bunların yanı sıra, olgunlaştırma işlemine tabi tutulan sıvı matriks geçebilecek bileşik çeşit ve miktarı üzerine önemli bir etkide bulunmaktadır [10].

Bu çalışmada olgunlaştırma aşamasında meşe yongası uygulamasının üzüm sirkesinin bireysel fenolik bileşikleri üzerine olan etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır.

2. MATERYAL METOT

2.1. Materyal

Araştırmada kullanılan Narince üzümünden üretilen üzüm sirkesi Özkaleli Gıda A.Ş.’den (Zile, Tokat) temin edilmiştir. Sirkenin olgunlaştırmasında kullanılan medium + seviyede kızartılmış olan meşe yongası (Fransız meşesi Quercus petrae ve Quercus robur) Pronektar Firmasından (Radoux, Fransa) temin edilmiştir. Sirkelerin fizikokimyasal analizleri Gaziosmanpaşa Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Gıda Mühendisliği Bölümü Laboratuvarlarında yapılmıştır.

2.2. Metot

Sirkeler 1 litrelik cam kavanozlara tepe boşluğu kalmayacak şekilde doldurulduktan sonra kavanozlara 10 g/L düzeyinde meşe yongası ilave edilmiştir. Kontrol grubu sirkeler ve meşe yongası ilave edilmiş sirkeler 22-25 C̊’de karanlık ortamda 3 ay boyunca depolanmıştır. Sirkelerde 0. ayda 1. ayda ve 3. ayda analizler gerçekleştirilmiştir. Üzüm sirkelerinin meşe yongası eklenmeden önce (0. Ay ) analizleri yapılmış ve genel özellikleri belirlenmiştir. Meşe yongası ilave edilmeyen kontrol örnekleri (S), meşe yongası ilave edilen örnekler ise (SM) olarak adlandırılmıştır. Çalışmada üretimler 3 tekerrürlü olarak gerçekleştirilmiştir.

Sirkelerde yapılan analizler

Bireysel Fenolik Bileşik Analizi

Sirkede sinamik asitlerden; p-kumarik asit, ferulik asit, hidroksisinamik asit ve vanilik asit, benzoik asitlerden; gallik asit ve flavonollerden; kateşin ve kuersetin kantitatif olarak LC-MS-MS ile belirlenmiştir.

a)Standartların hazırlanması

Gallik asit, (+) kateşin, vanilik asit, p-kumarik asit, ferulik asit, hidroksisinnamik asit ve kuersetin standartları “Sigma-Aldrich” firmasından sağlanmıştır.

Bütün standartlar için metil alkol kullanılarak stok çözeltiler hazırlanmıştır Standartlar -18 °C de saklanmıştır.

b) Örneklerin hazırlanması

Analizde kullanılan sirke örneklerinden 100 mL alınıp 0.22 μm’lik (Millex-HV) membran filtreden süzülmüştür. Filtratlar LC-MS-MS cihazı otomatik örnekleyici viallerine aktarılmıştır. LC-MS-MS koşulları Çizelge 1’de, gradient sistem çözücü konsantrasyonu Çizelge 2’de verilmiştir.

886

Çizelge. I. LC-MS koşulları

HPLC koşulları Ekipman Shimadzu Degazör DGU-20A3R Pompa LC-30AD

Otomatik Örnekleyici SIL-30AC Kolon Fırını CTO-10AS VP

Kolon 3 μm , C18 (2.1mm x 150mm) Fırın Sıcaklığı 40°C

Kütle Spektrometresi LCMS-8050 Mobil faz A 5mM Amonyumasetat Mobil faz B Metanol

Akış Hızı (mL/dak) 0.4

Çizelge. II. LC-MS gradient sistem çözücü konsantrasyonu Süre (dak) A Konsantrasyon (%) B Konsantrasyon (%)

0 95 5 8 5 95

8-10.3 5 95 10.31 95 5

10.31-14 95 5

3. BULGULAR VE TARTIŞMA

Sirkelerin bireysel fenolik bileşik miktarları (mg/L) Çizelge 3’te verilmiştir. S sirkesinde kuinik asit miktarı0. Ayda 72.78 mg/L 1. ay sonunda 66.08 mg/L ve 3. ayda ise 68.14 mg/L olarak tespit edilmiştir. Meşeyongası ilave edilen SM sirkelerinde ise kuinik asit miktarı 1. ayda 66.84 mg/L, 3. ayda ise 69.23 mg/L olaraktespit edilmiştir.

Çizelge. III. Sirkelerin bireysel fenolik bileşik miktarları (mg/L)

0. ay 1. ay 3. ayFenolik bileşik S S SM S SM

Kuinik Asit 72.78±8.04a 66.08±1.71a 66.84±0.66a 68.14±0.66a 69.23±0.32a Gallik Asit 6.40±0.13a 6.14±1.92a 9.77±0.65b 8.43±0.71b 19.12±0.72c

Vanilik Asit 1.67±0.03a 1.70±0.05a 2.18±0.03b 1.78±0.006a 2.58±0.11c Kafeik Asit 2.02±0.05a 2.22±0.05a 1.94±0.15a 2.22±0.16a 2.02±0.01a

p-kumarik asit 0.29±0.04a 0.32±0.03a 0.25±0.02a 0.32±0.03a 0.26±0.02a Ferulik Asit 0.26±0.02a 0.25±0.001a 0.30±0.06a 0.25±0.007a 0.31±0.002a

Kateşin 19.03±0.29a 19.22±1.20a 17.28±0.09a 22.26±0.54b 17.98±0.48a Aynı satırdaki küçük harfler sirke örnekleri arasındaki istatistiksel farkı göstermektedir (P<0.05).

S sirkesinde gallik asit miktarı 0. ayda 6.40 mg/L 1. ay sonunda 6.14 mg/L ve 3. ayda ise 8.43 mg/L olarak tespit edilmiştir. Meşe yongası ilave edilen SM sirkelerinde ise gallik asit miktarı artarak 1. ayda 9.77 mg/L, 3. ayda ise 19.12 mg/L olarak tespit edilmiştir. Meşe yongalı sirke örneği kromotogramı Şekil 1’deverilmiştir. S sirkelerinde kateşin miktarı 0. ayda 19.03 mg/L, 1. ayda 19.22 mg/L, 3. ayda 22.26 mg/L olarakbelirlenmiştir. Meşe yongası ilave edilen SM sirkelerinin kateşin miktarı 1. ayda 17.28 mg/L ve 3. Ayda17.98 mg/L olarak belirlenmiştir. S sirkelerinde vanilik asit miktarı 0. ayda 1.67 mg/L, 1. ayda 1.70 mg/L, 3.ayda 1.78 mg/L olarak belirlenmiştir. Meşe yongası ilave edilen SM sirkelerinin vanilik asit miktarında artışmeydana gelmiş olup sirkelerin vanilik asit miktarı 1. ayda 2.18 mg/L ve 3. ayda 2.52 mg/L olaraksaptanmıştır. Sirke örneklerinde 0. 1. ve 3. aylarda en yüksek miktarda belirlenen bireysel fenolik bileşikkuinik asit olmuştur. Kuinik asidi, kateşin ve gallik asit takip etmiştir. Sirke örneklerinde 3. ayda diğeraylardan farklı olarak kuinik asitten sonra en yüksek miktarda belirlenen bireysel fenolik bileşik gallik asitolmuştur. Genel olarak değerlendirildiğinde bireysel fenolik bileşiklerden gallik asit ve vanilik asit meşeyongası ilave edilen örneklerde 0. aya göre artmıştır. Gallik asit miktarındaki artışın oranı 1. ayda %52.65, 3.ayda %198.75 olarak belirlenmiştir. Vanilik asit miktarındaki artışın oranı 1. ayda %30.54, 3. ayda %54.49olarak belirlenmiştir. Kontrol sirkesi ile SM sirkelerinin 1. ve 3. ay sonunda gallik ve vanilik asit miktarlarıarasındaki farklar istatistiksel olarak önemli bulunmuştur (P<0.05). Kontrol sirkesi ile SM sirkelerinin 1. ve 3.ay sonundaki kuinik asit, kafeik asit, p-kumarik asit, ferulik asit miktarları arasındaki farklar ise istatistikselolarak önemsiz olarak belirlenmiştir (P>0.05).

887

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 min

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

(x100,000)

9:Kaempferol 285,20>187,30(-) CE: 28,09:Kaempferol 285,20>211,10(-) CE: 30,09:Kaempferol 285,20>159,20(-) CE: 28,09:Kaempferol TIC(-)8:Quarcetin 300,80>107,10(-) CE: 29,08:Quarcetin 301,10>121,20(-) CE: 26,08:Quarcetin 300,80>151,10(-) CE: 21,08:Quarcetin TIC(-)7:Catechin 289,20>109,10(-) CE: 26,07:Catechin 289,20>123,10(-) CE: 29,07:Catechin 289,20>159,10(-) CE: 30,07:Catechin TIC(-)

6:Ferulic acid 193,20>105,20(-) CE: 38,06:Ferulic acid 193,30>89,20(-) CE: 27,06:Ferulic acid 193,20>133,10(-) CE: 28,06:Ferulic acid TIC(-)5:P-Coumaric acid 163,20>117,10(-) CE: 31,05:P-Coumaric acid 163,20>93,10(-) CE: 30,05:P-Coumaric acid 163,20>119,20(-) CE: 15,05:P-Coumaric acid TIC(-)4:Cafeic acid 179,20>109,20(-) CE: 30,04:Cafeic acid 179,30>117,20(-) CE: 25,04:Cafeic acid 179,20>134,20(-) CE: 26,04:Cafeic acid TIC(-)3:Vanilik acid 167,20>122,90(-) CE: 15,03:Vanilik acid 166,80>108,00(-) CE: 18,03:Vanilik acid 166,80>152,10(-) CE: 17,03:Vanilik acid TIC(-)2:Gallic acid 168,80>78,90(-) CE: 23,02:Gallic acid 168,80>125,00(-) CE: 16,02:Gallic acid TIC(-)1:Quinic acid 191,20>84,90(-) CE: 22,01:Quinic acid 191,20>92,50(-) CE: 23,01:Quinic acid TIC(-)

1/0

/

2/0

/

3/5

/P-C

oum

ari

c aci

d

4/0

/

5/0

/

1/0

/

2/4

/Cafe

ic a

cid

1/0

/

2/0

/ 3/0

/

4/0

/

5/0

/

1/0

/ 2/0

/

1/0

/

1/9

/Ka

em

pfe

rol

2/0

/

3/0

/

1/8

/Qua

rce

tin

1/0

/

2/0

/

3/0

/

4/7

/Cate

chin

5/0

/

1/0

/

2/0

/

3/6

/Fe

rulic

aci

d

Şekil. I. Meşe yongalı sirke örneği LC-MS kromatogramı

SM sirkelerinde kateşin miktarı 1. ve 3. ay sonunda kontrol sirkesine göre azalmıştır. Kontrol sirkesi ile SM sirkelerinin 1. ve 3. ay sonunda gallik asit miktarları arasındaki farklar istatistiksel olarak önemli bulunmuştur (P<0.05). Kontrol sirkesi ile SM sirkelerinin 1. ve 3. ay sonunda vanilik asit miktarları arasındaki farklar da istatistiksel olarak önemli bulunmuştur (P<0.05). 1. ay sonunda kontrol sirkesi ile sirke örneklerinin kateşin miktarları arasındaki fark istatistiksel olarak önemsiz (P>0.05), 3. ay sonundaki fark ise önemli olarak belirlenmiştir (P<0.05).

Genel olarak değerlendirildiğinde fenolik asitlerden hidroksibenzoik asit grubunda yer alan gallik asit ve vanilik asit miktarı meşe yongası ilave edilen sirkelerde artarken hidroksisinnamik asitler grubunda yer alan p-kumarik asit, kafeik asit, ferulik asit gibi asitlerin miktarında istatistiksel olarak herhangi bir artışolmamıştır. Flavonoidlerin içerisinde yer alan flavan-3-ol grubundan kateşin miktarı meşe yongası ilaveedilen örneklerde artmıştır.

Kateşin ve epikateşin kombinasyonlarından oluşan proantosiyaninler sirke yapılacak şaraba maserasyon, presleme ve fermantasyon aşamalarında geçerler [19]. Gómez-Plaza ve ark., [20] farklı cibre fermantasyonu süresinin (4, 5 ve 10 gün) fenol bileşiklerinin çözünürlüğü üzerine etkisini araştırdıkları çalışmada, cibre fermantasyonu süresi uzun olan şaraplarda kateşin, prosiyanidin bileşiklerinin yüksek miktarda olduğunu olgunlaştırma aşaması ile birlikte polimer yapılı bileşik içeriğinin arttığını açıklamışlardır [19]. Bunun yanı sıra yongalara uygulanan ısıl işlemlerle lignin, selüloz ve elajitanenler gibi polimer fenoller, aldehitler, furfural türevleri ve laktonlar gibi bir çok bileşiğe parçalanırlar ve bu bileşikler olgunlaştırma süresince ürüne geçer [21]. Çalışmada olgunlaştırma aşamasının sonunda kateşin miktarındaki azalma bu bileşiklerin bazı bileşiklerle kondanse olmasıyla açıklanabilir. Gallik asit miktarındaki artış ise hidrolize edilebilir tanenlerin hidrolizi yoluyla gallik asit oluşumu ile açıklanabilir. Şarap ve sirkelerin meşe fıçılarda bekletilerek veya meşe yongası ilave edilerek olgunlaştırılmasında meşe ağacına has fenolik asitlerden birisi olan vanilik asit ürüne geçmiştir. Meşe fıçıların yaklaşık %20-25’ini lignin oluşturmaktadır. Sıvı gıdaların meşe yongası ile olgunlaştırılması esnasında ligninin parçalanması sonucu oluşan vanilik asit, siringaldehit gibi benzoik tip aldehitler ve konfiraldehit, sinapaldehit gibi sinnamik aldehitler ürüne geçmekte ve ürünün duyusal özelliklerinde önemli rol oynamaktadır.

Tesfaye ve ark., [18] yaptıkları çalışmada %2 (g/mL) kaynatılmış, kızartılmış ve orta boy meşe yongası kullanarak Sherry şarap sirklerini 90 gün boyunca olgunlaştırmışlardır. İlk 15 günde bireysel fenolik bileşiklerden gallik asit ve vanilik asit miktarının hızlı bir şekilde arttığını tespit etmişlerdir. Kalan olgunlaştırma süresi boyunca gallik asit dışında diğer fenolik bileşik miktarlarında artış gözlemlenmemiştir. Çalışmada Sherry şarap sirkelerinin meşe yongası ile olgunlaştırılmasında 15 günlük sürenin fenolik bileşiklerin üründe istenen seviyeye gelmesi için uygun olduğu belirtilmiştir.

Cerezo ve ark., [22] yaptıkları çalışmada farklı odun fıçıların olgunlaştırma aşamasında sirke kalitesini nasıl etkilediğini belirlemeyi amaçlamışlardır. Bu nedenle sirkeyi; akasya, kiraz, kestane ve meşe ağacından yapılmış fıçılarda olgunlaştırmaya bırakmışlardır. Balsamik ve kırmızı şarap sirkeleri olmak üzere iki çeşit sirkeyi incelemişlerdir. Meşe fıçılarla olgunlaştırma sonunda 2-furfuraldehid, protokateşialdehit ve vanilik asit konsantrasyonunun önemli ölçüde arttığını belirlemişlerdir. Çalışmada belirlenen sonuçlar Cerezo ve ark [22] yaptıkları çalışma ile uyum içerisindedir.

Cerezo ve ark., [10] ahşap talaşının, olgunlaşma süresini azaltmak için sirke yapımında yaygın olarak kullanıldığını belirtmişlerdir. Yaptıkları çalışmada farklı ağaç türlerinden (akasya, kiraz, kestane ve meşe) elde edilen talaşların olgunlaşma sürecinde sirkenin fenolik bileşikleri üzerine etkisini belirlemeyi amaçlamışlardır. Çalışmada ısıl işlem görmüş ve görmemiş talaşlar sirkelere iki farklı oranda [% 0.5 ve % 1 (w/v)] uygulanmış ve sirkeler 15 - 30 gün olgunlaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Sonuç olarak, naringenin ve kaempferol (kiraz), robinetin ve fustin (akasya) ve isovanillin (meşe) gibi ahşap işaretleyicileri ilk defa sirkede tanımlamışlardır. Dikkate değer şekilde, sirke içinde en çok polifenol bileşiğinin en yüksek artışlarını elde etmek için 15 günlük olgunlaştırma süresinin yeterli olduğunu bildirmişlerdir.

888

4. SONUÇ

Sirkelerin fenolik bileşik miktarı ve kompozisyonu hammadde ve üretim yönteminden etkilenmektedir. Bu çalışmada meşe yongası ilave edilen sirkede toplam fenolik bileşik miktarı artmıştır. Bireysel fenolik bileşikler içerisinde en fazla miktarda kuinik asit bulunduğu belirlenmiş olup meşe yongası ilave edilen sirkelerde olgunlaştırma süresi sonunda miktarı artan fenolik bileşenlerin gallik asit ve vanilik asit olduğu tespit edilmiştir. Sirkede gallik asit ve vanilik asit miktarında artış gözlenmesi meşe yongasından sirkeye fenolik bileşik geçişi olduğunun göstergesidir. Sirkeye farklı oranlarda fenolik bileşik geçişi yonga boyutu, meşe ağacının botanik menşei, coğrafi köken, kızartma türü, kullanım dozajı gibi faktörlerden etkilenebilmektedir. Meşe odunu bileşiminde bulunan fenolik bileşiklerin sirkeye geçişi sirke kalitesini artırmaktadır. Geleneksel olarak uygulanan meşe fıçıda olgunlaştırma prosesine alternatif meşe yongası kullanımı işlem süresini kısaltması, maliyeti düşürmesi ve işlem kolaylığı dikkate alındığında, hem işletmelerin rekabet gücünü artıracak hem de tüketicilerin daha kaliteli ve daha sağlıklı ürünlere daha uygun fiyatlarla ulaşabilmesini sağlayacaktır. Meşe yongası ilavesi ile fenolik bileşikler açısından zengin sirkelerin daha hızlı ve ekonomik bir şekilde üretiminin gerçekleştirilebileceği görülmüştür. Ayrıca ileriki çalışmalarda farklı konsantrasyonlarda meşe yongası ilavesinin ve başka ağaç türlerinden (akasya, kestane vb.) elde edilen yongaların sirke üzerine olan etkilerinin incelenmesiyle konuya ilişkin daha detaylı bulgular elde edilmesi ve ticari üretim yapan işletmelere alternatif ürünler üretebilmelerine yönelik önemli sonuçlar elde edilebileceği düşünülmektedir.

ACKNOWLEDGMENT

Bu çalışma, Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (GOÜ-BAP) Birimi tarafından 2017/109 nolu proje ile desteklenmiştir. Katkılarından dolayı GOÜ-BAP birimine teşekkür ederiz.

REFERENCES [1] De Leonardis, A., Macciola, V., Lorizzo, M., Lombardi, S.J., Francesco Lopez and Marconi E., Effective assay for

olive vinegar production from olive oil mill waste waters, Food Chemistry 240; 437-440, 2018.

[2] Budak, H.N., Güzel-Seydim, Z.B., Sirke üretimi ve bazı fonksiyonel özellikleri, http://www.gidateknolojisi.com.tr/haber/2012/10/sirke-üretimi-ve-bazı-fonksiyonel özellikleri, 2012.

[3] Budak, H.B., Guzel Seydim, Z.B., Antioxidant activity and phenolic content of wine vinegars produced by two different techniques. Journal of Food Science and Food Agriculture 90:2021–2026, 2010.

[4] Yusoof, N.A., Yon, M.F., Beh, H.K., Razak, K.N.A., Widyawati, T., Mahmud, R., Ahmad, M., Asmawi, M.Z., Antidiabetic and antioxidant activities of Nypa fruticans Wurmb. Vinegar sample from Malaysia, Asian Pasific Journal of tropical medicine 8(8); 595-605, 2015.

[5] Nanda, K., Miyoshi, N., Nakamura, Y., Shimoji, Y., Tamura, Y., Nishikawa, Y., Uenakai, K., Kohno, H., Tanaka, T., Extract of vinegar “Kurosu” from unpolished rice inhibits the proliferation of human cancer cells. Journal of Experimental & Clinical Cancer Research 23; 69-75, 2004.

[6] Kondo, S., Tayama, K., Tsukamoto, Y., Ikeda, K., Yamori, Y., Antihypertensive Effects of Acetic acid and Vinegar on Spontaneously Hypertensive Rats. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 65; 2690-2694, 2001.

[7] Fushimi, T., Suruga, K., Oshima, Y., Fukiharu, M., Tsukamoto, Y., Goda, T., Dietary acetic acid reduces serum cholesterol and triacyl glycerols in rats fed a cholesterol-rich diet. British Journal of Nutrition 95; 916-924, 2006.

[8] Pinu, F.R., Carvalho-Silva, S., Trovatti Uetanabaro A.P., Villas-Boas., S.G., Vinegar metabolomisc: An Explorative Study of Commercial Balsamic Vinegars Using Gas Chromatography-Mass Spectrometry. Metabolites 6(3), 22.

[9] Waterhouse, A.L., ve Towey, J.P., Oak lactone isomer ratio distinguishes between wines fermented in American and French oak barrels. Journal of Agriculture and Food Chemistry 42, 1971–1974.

[10] Cerezo, A.B., Fernandez, A.A., Ortega, R., Troncoso, A.M., Parilla, M.C., Phenolic Composition of Vinegarsover an Accelerated Aging Process Using Different Wood Species Área de Nutricióny Bromatología, Facultad de Farmacia, Universidad de Sevilla, Spain. 62(19); 4369–4376, 2014.

[11] Perez-Coello, M. S., Sanz, J., & Cabezudo, M. D., 1997. Analysis of volatile components of oak wood by solvent extraction and thermal desorption–gas chromatography–mass spectrometry. Journal of Chromatography A 778, 427–434.

[12] Singleton, V.L., Maturation of wines and spirits: comparison, facts and hypotheses. Am. J. Enol. Vitic 46; 98-115, 1995.

[13] Prida A, Puech J.L., Influence of geographical origin and botanical species on the content of extractives in American, French, and East European oak woods. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2006 Oct 18;54(21);8115-8126, 2006.

[14] Anlı R.E., Meşe Fıçıların Özellikleri Ve Şarabın Yıllanmasındaki Önemi. Gıda 24(6); 379-383, 1999.

889

[15] Zhang, B., Jian, C., Duran, C. Q., Reeves, V. J., He, F., A Review of Polyphenolics in Oak Woods. International Journal of Molecular Sciences 16; 6978-7014, 2015.

[16] Martin, J. F. G. and Sun, D. W. Ultrasound and electric fields as novel techniques for assisting the wine ageing process: The state-of-the-art research. Trends in Food Science & Technology 33(1); 40-53, 2013.

[17] Cano-Lopez, M., Pardo-Minguez, F., Lopez-Roca, J. M. and Gomez- Plaza, E., Chromatic Characteristics And Anthocyanin Profile Of A Micro-Oxygenated Red Winw After Oak Or Bottle Maturation. European Food Research and Technology 225; 127-132, 2007.

[18] Tesfaye, W., Morales, M.L., Benitez, B., Garcia-Parrilla M.C., Troncoso A.M., Evolution of wine vinegar composition during accelerated aging with oak chips. Áreade Nutrición y Bromatolog´ıa, Facultad de Farmacia, Universidad de Sevilla, C/P. Garc´ıaGonzálezno. 2, E-41012 Seville, Spain Received 28 July 2003; accepted 25513/239-245, 2004.

[19] He, F., Pan, Q.H., Shi, Y., Duan, C.Q., Chemical Synthesis of Proanthocyanidins in Vitro and Their Reactions in Aging Wines, Molecules 13; 3007-3032, 2008.

[20] Gomez-Plaza, E., Gil-Munoz, R., Lopez-Roca, J.M., Martinez- Cuttilas, A. Fernandez-Fernandez, J.I., Maintenance of color composition of a red wine during storage. Influence of prefermentative practices maceration time and storage. Lebensm Wiss Technology 35; 46-53, 2002.

[21] Bozalango R., Carrillo J.D., Torroba M.A. F., Tena M.T., Analysis Of French And American Oak Chips With Different Toasting Degrees By Headspace Solid-Phase Microextraction-Gas Chromatography–Mass Spectrometry, Journal of Chromatography A 1173; 10-17, 2007.

[22] Cerezo, A.B., Espartero, J.L., Winterhalter, P., García-Parrilla, M.C., Troncoso, A.M., (+)-Dihydrorobinetin: a marker of vinegar ageing in acacia (Robinia pseudoacacia) Wood. Journal of Agricultural and Food Chemistry 57 (20); 9551−9554, 2009.

890

Rapidly-Exploring Random Tree And Artificial Bee Colony Algorithm For Autonomous Robots Optimum Path Planning

Y.Torun1*, Z.Ergül2, N.Alpkıray3

1,2,3Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, ROBOLAB, Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas, Türkiye

* Sorumlu yazar, Yunis Torun. Tel.: +90 346-219-1010: fax: +90 346-219-1241. E-mail address: ytorun@cumhuriyet.edu.tr

891

withdra

wn by t

he au

thors

892

withdra

wn by t

he au

thors

893

withdra

wn by t

he au

thors

894

withdra

wn by t

he au

thors

895

withdra

wn by t

he au

thors

896

withdra

wn by t

he au

thors

897

withdra

wn by t

he au

thors

Wireless Networks and Computer Vision Based Park System in Smart Cities

A.Sener1*, E. Gonultas2

1 Department of Computer Technologies, Bingol University, Bingol, Turkey 2 Department of Computer Engineering, Firat University, Elazig, Turkey

Abstract The increase of population density in city centers to meet the people's needs, it is necessary to provide adequate services and infrastructure. Technological developments are used to realize these services. In recent years, with the development of technology, the concept of smart city has emerged. In this study, smart parking system with image processing for smart cities is proposed. The Raspberry pi modules is placed on the streetlights in the city centers and the image of the street is taken. Street intensity and parking area are detected by using image processing techniques on image of the street. Raspberry modules are connected to each other by wireless sensor networks. The data from these modules communicating with each other is transmitted to a server. The street map is extracted by processing the collected data on the server. Through the developed android application, the street density and parking information on the server are shown on the map. The user can reach the destination by selecting the destination route on this map. In addition, by showing the intensity of the street traffic and convenient parking places, the user is able to reach the target more easily. This proposed study has two important advantages. The first advantage is to reduce air pollution by avoiding the intensity in city centers. The second advantage is the reduction of the time people spend to meet their needs.

Keywords: Wireless networks, computer vision, smart city, information management.

1. GİRİŞAkıllı şehir, Bilgi ve İletişim Teknolojilerini (BİT)’i bireylerin hayatını kolaylaştırmak için sosyal yönetimden, halk hizmet yönetimlerine kadar pek çok alanda kullanan şehirlere verilen addır. [1][2][3]. Fiziksel, sosyal ve bilgi teknolojisine dayalı altyapıların birbirine bağlanılmasıyla oluşturulan yapılara Akıllı şehirler denir [4]. Kavram olarak akıllı şehirler; insan, ekonomi, yaşanılabilir çevre yapılarının ileriye dönük bir şekilde ilerleyişinin akıllı birleşimi olarak tanımlanabilir[5]. Bu akıllı birleşim; ulaşım sistemleri, iletişim, su, enerji[6], eğitim, sağlık hizmetleri, güvenlik [7], sosyal kaynaklar çevresel etkenler gibi alanları kapsamaktadır[8].

Şekil .I. Akıllı Şehirler [9].

* Corresponding author. Tel.: +90 536 369 45 98 E-mail address: abdsnr@gmail.com (A. Sener).

898

Nesnelerin interneti, günlük yaşantımızda karşılaştığımız problemlere çözüm yolu sunabilmek için; gündelik hayatta kullandığımız objelerin internet yardımıyla birbirlerine bağlanması ve haberleşmesi temeline dayanan teknolojik gelişmedir. Nesnelerin interneti; nesneler, nesneleri birbirine bağlayan iletişim ağları ve nesnelerden nesnelere akan verileri kullanan bilgisayar sistemlerinden oluşur[10]. Literatürdeki tanımlar göz önüne alındığında, şehir yaşamını kolaylaştırmak için bilgi teknolojilerinin kullanımı ortak payda olarak görülmektedir. Günümüzde ise 400 den fazla şehrin nüfusu şimdiden 1 milyonu aşmış durumdadır. Yapılan tahminlerde 2030 yılında dünya nüfusunun %60’ının yaşamını şehir merkezlerinde sürdürecekleri düşünülmektedir[11]. Nüfus yoğunluğunda görülecek olan bu artış, karşımıza trafik yoğunluğu, hava kirliliği gibi problemlere sebep olması kaçınılmazdır. Büyük şehir merkezlerinde oluşacak bu problemlere karşı, akıllı şehirler ve bu şehirlerde bilgi ve iletişim teknolojileri kullanılarak oluşturulacak olan pratik, akılcı çözümlere ihtiyaç olacağı gerçeğini karşımıza çıkarmaktadır. Bu bağlamda, özellikle trafikteki araç sayısındaki orantısız artış ve sebep olduğu trafik yoğunluğu, karşımıza en önemli sorunlardan biri olarak çıkmaktadır. Mobil cihazların artık hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline geldiği dijitalleşen dünyada, gelişen iletişim teknolojileriyle, artık insanlar anlık olarak trafik yoğunluğu haritalarına ulaşabilmekte ve yolculuk rotalarını bu bilgiler ışığında güncelleyebilmektedir. Yukarıdaki örnekte de görüldüğü gibi bilgi iletişim teknolojilerini kullanarak, anlık bilgilerin edinilmesi ve paylaşılması, insanların yaşam kalitesini arttırma konusunda önemli bir yer tutmaya başlamıştır. Örnekte anlatılan bilgilerin elde edilmesi ve paylaşılması için, üzerinde çeşitli sensörler bulunan aygıtlara ve bu aygıtların birbirleri arasında haberleşmesini sağlayacak aktarım kanallarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu aktarım kanalı nesnelerin internetinin temelini oluşturan Makineler Arası İletişim (M2M) teknolojisidir. Dünya'da M2M teknolojisi kullanımındaki artış Şekil 2.de görülmektedir.

Şekil. II. Dünya'daki M2M teknolojisi kullanımının yıllara göre değişimi [12].

Son yıllarda mobil cihaz kullanımının artması, bilgi iletişim teknolojilerinde yaşanan gelişmeler ve M2M kullanımındaki artış birlikte düşünüldüğünde; bu teknolojilerin hayatımızın vazgeçilmez birer parçası olacağı aşikârdır. Bu teknolojiler geleceğin şehirleri olarak nitelendirilen akıllı şehirlerin temelini oluşturmaktadır. Bu çalışmada akıllı şehirlerde oluşacak trafik yoğunluğu ve buna bağlı olarak oluşan uygun araç park yeri problemi için bir çözüm yöntemi önerilmektedir.

2. ÖNERİLEN YÖNTEM

Giriş bölümünde bahsedilen problemin çözümü için; kablosuz sensör ağları ve anlık kamera görüntülerinden faydalanılacaktır. Aydınlatma direklerine belirli aralıklarla konumlandırılacak kameralardan alınan görüntüler üzerinde görüntü işleme teknikleri kullanılarak, araçlar için park alanlarının uygunluğunun tespit edilmesi amaçlanmaktadır. Uygun park yeri alanları harita üzerine işlenerek, sokakların park yoğunluğu tespit edilmekte ve bu bilgilerin anlık olarak mobil cihazlar üzerinden kullanıcılara aktarılması sağlanmaktadır. Şekil 3.’de bu çalışmada görüntü işleme teknikleri ile geliştirilen uygulamanın basit akış diyagramı verilmiştir. Uygulama üç modülden oluşmaktadır. Bu modüller diyagram üzerinde Modül A, Modül B ve Modül C olarak belirtilmiştir.

899

Şekil. III. Uygulamanın akış diyagramı

2.1. Modül A – Uygulama Başlatıcı

Bu modül, uygulamanın başlatılması, kameralardan görüntü akışının sağlanması ve bu akışın Raspberry pi modül üzerinde görüntü işleme kütüphaneleri kullanılarak işlenmesi bölümünü üstlenir. İşlenen görüntü üzerinde araçlar için uygun park alanların tespit edilir. Ayrıca sistemin enerji verimliliğini arttırmak amacıyla bu modüle güç tasarrufu modu eklenmiştir.

Kamera üzerinde alınan görüntü, belirli bir süre aynı kalırsa sistem anlık görüntüyü kaydederek kamerayı kapatıp güç tasarrufu moduna geçmektedir. Güç tasarrufu modundayken, uygulama belirli aralıklarla kameradan alınan görüntüyü hafızadaki son görüntü ile karşılaştırarak kontrol eder, aradaki fark belirli bir eşik değerinin üzerindeyse sistem tekrar aktif çalışma moduna döner.

2.2. Modül B – Uygun Alan Takibi

Bu modülde, uygun alan tespiti sonrasında bu alanın uygunluğunun devamlılığı kontrol edilmektedir. Görüntü üzerinde gerçekleşen durum değişikliklerine göre Modül A veya Modül C durumuna geçişlerin yapıldığı bölümdür.

2.3. Modül C

Raspberry pi modüllerin birbirlerine kablosuz sensör ağları ile bağlanması, modüllerden gelen verilerin sunucuya iletilmesi ve bu verilerin sunucu üzerinde işlenerek sokakların park yoğunluk haritalarının oluşturulması işlemi bu modülde yapılmaktadır. Oluşturulan park yoğunluk haritaları, geliştirilen android uygulama aracılığıyla kullanıcıya iletilmektedir.

Şekil. IV. Uygun park yerinin tespiti ve harita üzerinde gösterilmesi

900

3. SONUÇLAR

Yapılan araştırmalar göre; sürücülerin araçlarına uygun park yeri bulabilmeleri için günde ortalama 500m, ayda 15 km fazladan yol kat ettikleri sonucuna varılmıştır. Bu süreç içerisinde harcanan yakıt, o yakıtın çevreye verdiği zarar ve oluşan zaman kaybı karşımıza büyük bir problem olarak çıkarmaktadır. Önerilen yöntemde mobil cihazlar için geliştirilen android uygulama sayesinde, sokak park yoğunluğu bilgilerinin kullanıcıya harita üzerinde gösterilmesi sağlanmaktadır. Bu uygulama sayesinde kullanıcı harita üzerinde gideceği noktadaki park yoğunluğunu önceden görebilecek ve planlamasını bu bilgiler göz önüne alarak yapılması sağlanacaktır. Önerilen bu yöntem sayesinde şehir merkezlerindeki yoğunluğun önüne geçip hava kirliliğinin azaltılması ve insanların ihtiyaçlarını karşılaması için harcadıkları zamanın azaltılması amaçlanmaktadır.

REFERANSLAR [1] Gülseçen, S., Özdemir, Ş., Çelik, S., Uğraş, T., & Özcan, M. (2014). Dijital dünyadan yansımalar: Bilgide ve

vatandaşlıkta değişim. XIX. Türkiye’de İnternet Konferansı, 27-29.

[2] Lu, S., 'The Smart City's systematic application and implementation in China', Guangzhou: Business Management and Electronic Information (BMEI2011) International Conference, 2011, pp 116-120.

[3] Gonzalez, J. and Rossi, A., 'New Trends for Smart Cities', Opencities, Manchester, 2011.

[4] Harrison, C., Eckman, B.A., Hamilton, R., Hartswick, P., Kalagnanam, J.R., Paraszczak, J.R., Williams, P.P., 'Foundations for Smarter Cities', IBM Journal of Research and Development, 2010.

[5] Giffinger, R., Fertner C., Kramar H., Kalasek R., Milanovic N.P., Meijers E., Smart Cities: Ranking of European Medium-Sized Cities: http://www.smart-cities.eu/download/smart_cities_final_report.pdf

[6] Hall, R. E., 'The vision of a smart city', 2nd International Life Extension Technology Workshop, Paris, 2000.

[7] Washburn, D. and Sindhu, U., 'Helping CIOs Understand “Smart City” Initiatives', Forrester Research Inc., Cambridge, 2010.

[8] Caragliu, A., Del Bo, C., Nijkamp, P., 'Smart cities in Europe', Faculty of Economics, Business Administration and Econometrics, VU University, Amsterdam, 2009.

[9] https://www.sehirsizin.com/sehirlerden-projeler/akilli-sehir-nedir , Erişim Tarihi: 06.09.2018

[10] Özvural, G. (2015). Nesnelerin İnterneti İçin Sistem Tasarımı Ve Kablosuz Kişisel Alan Ağlarında Ağ Kodlama Uygulamaları (Doctoral dissertation, Fen Bilimleri Enstitüsü).

[11] United Nations, 'Population Challenges and Development Goals', NewYork, 2005, pp 10.

[12] BTK, 'Üç Aylık Pazar Verileri Raporu', Ankara, 2013.

901

Design of Field Oriented Control Based Industry Robot for Marble Industry

Y. Torun1*, A. Öztürk2, B. Özgün2

1Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, ROBOLAB, Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas, Türkiye 2Elektrik Elektronik Mühendisi, Kapsam Robotik, Sivas, Türkiye

Özet With the development of industry, industrial robots gain great importance for reducing labor costs and mistakes, increasing work safety and accelerating production. Especially in the marble sector, large weights greatly affect job security and process speed. Considering these effects in marble sector, it is seen that industrial robots which can carry high weights, fast, automatic, safe and low energy consuming industrial robots are needed. Control and automation are essential for increasing process speed in marble sector and minimizing worker faults. Industry 4.0, the last ring of the industrial revolution, refers to the application of systems used in production processes to a network to transform automation systems into autonomous systems, thereby increasing their efficiency and control. With the aim of automation process and maintenance times with Industry 4.0, it aims to reach production at high speed with low cost in flexible production processes.

In this study, a pick and place robot suitable for the marble sector was designed. Sensitivity in handling is very important for stable operation of the robot. Field Orientated Control (FOC) for asynchronous motor was designed and position control was done. Control method provides less energy consumption and high precision position control. The study was conducted in preparation for the prototype robotic industry 4.0. The result of the study is an industrial robot prototype design with a carrying capacity of 60 kg, a horizontal axial average speed of 754 mm / sec, a 220 μm accuracy, a vertical axis 400 mm / s speed, 154 μm accuracy and 2.6 kWh energy consumption. The developed robot, design phases, control system and industry 4.0 capabilities are explained.

Keywords: Endüstriyel Robot Tasarımı, Mermer Endüstrisi, Alan Yönlendirmeli kontrol, Endüstri 4.0.

1. GİRİŞ

Endüstriyel robotlar, tüketimin artmasının bir getirisi olan üretimin artması ve endüstrinin gelişmesinin ortaya çıkardığı bir gereksinimdir [1]. Üretimde insan hatalarını ortadan kaldırmak, üretim hızını ve ürün kalitesini artırmak için endüstriyel robotlar oldukça önemli bir yere sahiptir. Endüstride en çok ihtiyaç duyulan ve sıkça kullanılan endüstriyel robotlar ise Pick-and-place robotlardır.

Pick-and-place robotlar endüstride oldukça yaygın olarak kullanılır [2]. Ağır veya hafif ürünleri bir yerden bir yere taşıma mecburiyeti olan endüstriyel üretimlerde Pick-and-place robotlar günümüzde üretimin hızlandırılması için olmazsa olmazdır. Pick-and-place robotlar üretime hız kazandırmakla beraber meslek hastalıklarını ve iş kazalarını da ortadan kaldırır. Endüstride robotlar üretim maliyetlerini azaltmakla birlikte üretim maliyetlerini düşürür ve esnek üretim seçenekleri sunar [3]. Aynı zamanda vardiyalı çalışan personelde azalma ve bunu getirisi olarak maliyette azalmaya neden olur.

Endüstriyel robotlarda, robotların çalışma hızları, hassasiyetleri ve tekrarlanabilirlik doğruluğu pozisyon kontrol yöntemleri ile ilişkilidir. Pozisyon kontrol için servo motor oldukça kolay bir çözümdür. Ancak servo motor ve sürücü maliyeti asenkron motora göre oldukça yüksektir. Asenkron motorda ise pozisyon kontrolü oldukça karmaşıktır. Alan yönlendirmeli kontrol (Field Oriented Control - FOC), asenkron motor diğer bir adı ile indüksiyon motorlarında kullanılan oldukça popüler bir yöntemdir [4]. Yapılan literatür çalışmasında indüksiyon motorlarında FOC yöntemini kullanan çalışmalara rastlanmıştır. Pompeo ve ark. doğrusal karesel

* Sorumlu yazar. Tel.: +90 346 219 10 10 E-mail adres: ytorun@cumhuriyet.edu.tr (Y. Torun).

902

düzenleyici ve sinir ağı tahmin edici ile indüksiyon motoru için alan yönlendirmeli kontrol şeması önermişlerdir. Simülasyon sonuçları hem geçici hem de kararlı durumdaki çalışma koşullarında önerilen şemanın etkinliğini göstermişlerdir [5]. Domenico ve ark. Alan yönlendirmeli kontrol ve doğrudan tork kontrol tekniklerinin avantaj ve dezavantajlarını vurgulayan, detaylı bir karşılaştırma çalışması yapışlardır [6]. Singh ve ark. altı fazlı bir indüksiyon makinesi için basit ve sade bir dolaylı alan yönlendirmeli kontrol yaklaşımı sunmuşlardır. Gerçek zamanlı deney sonuçlarına göre kayan kipli (SMC) düşük salınım ve yerleşme zamanı için en iyi performansı göstermiştir [7]. Antonio ve ark. alan yönlendirmeli kontrol sistemine sahip bir indüksiyon motor sürücü için klasik oransal kontrol ve genelleştirilmiş öngörülü kontrol yaklaşımına dayanan melez bir kontrolör tasarlamışlardır. Tek tip kontrolör yöntemine karşın, iki kontrolör yönteminin melezi olarak önerilen yöntemin kullanılmasının daha performanslı olduğunu göstermişlerdir [8]. Amit ve Tejavathu R. geçici durumlarda daha iyi performans elde etmek için indüksiyon motor tahrikinin doğrudan vektör kontrolü kullanılarak bir alan yönelimli kontrol şeması sunulmuşlardır. Model, Matlab / Simulink ortamında simüle edilmiş ve simülasyon sonuçları, yüksüz, ileri yük, farklı yük momentleri, hız geri dönüşü ve hız koşullarında ani değişim gibi farklı çalışma koşullarında sunmuşlardır [9]. Essam ve ark. yüksek performanslı lineer indüksiyon motor sürücü için SMC pozisyon kontrolünün gerçek zamanlı simülasyonu sunulmuşlardır. Doğrusal indüksiyon motorunun konumunu, hızını ve akımını kontrol etmek için FOC kullanmışlardır. Gerçek zamanlı simülasyon sonuçlarına göre SMC, en düşük performans ve en az zamanla en iyi dinamik performansı sundu [10]. Literatür çalışmasında ortak görüşün indüksiyon motorlarında FOC kontrolün başarılı olduğu görülmüştür.

Mermer üretimi içerisinde ağır işçilikten kaynaklı, iş kazalarında büyük riskler barından bir sektördür. Sektörde bu risklerin en büyük nedenleri ise ağır yükler ile çalışmadır. Manüel taşıma sistemleri her ne kadar işi kolaylaştırsa da riskler devam etmektedir. Bu riskleri ortadan kaldırmak için en etkin yol otonomlaşmadır. Otonomlaşma insan hatalarını, iş kazalarını ve meslek hastalıklarının olma olasılığını minimize etmek ile birlikte proses hızını, verimliliği ve ürün kalitesini de oldukça artırmaktadır. Bu çalışmada geliştirilen mermer taşıma robotunda servo motor, sürücü ve enerji maliyetlerini azaltmak için robottaki tahrik mekanizması indüksiyon motorda FOC yöntemi kullanılarak pozisyon kontrolü yapılmıştır.

2. FOC YÖNTEMİ İLE ASENKRON MOTOR KONTROLÜ

2.1. Asenkron Motor Modeli

Üç fazlı makinelerin modelini basitleştirmek için clark dönüşümü kullanılmaktadır [11]. Motora ait üç faz değişkenler dönüşüm ile senkron hızdaki d-q düzlemine aktarılır. Böylelikle 3 fazlı bir makineyi doğru akım

motoru gibi analiz etmemizi sağlar.

Şekil. I. Asenkron motor modeli

Rotor ve stator matematiksel modeli

Clark dönüşümü:

−−−

=

sc

sb

sa

sq

sd

iii

ii

.866.0866.002/12/11

(1)

Rotor ve stator akı vektör dönüşümleri:

dtiRV dssdsds )( −∫=ψ (2)

903

dtiRV qssqsqs )( −∫=ψ (3)

dtwiR qrrdrrdr )( ψψ −−∫= (4)

dtwiR drrqrrqr )( ψψ −−∫= (5)

Rotor ve stator akım vektör dönüşümleri:

)/1).()}/{(( sdrrmdsds LLLi σψψ −∫= (6)

)/1).()}/{(( sqrrmqsqs LLLi σψψ −∫= (7)

)/1).()}/{(( rdssmdrdr LLLi σψψ −∫= (8)

)/1).()}/{(( rqssmqrqr LLLi σψψ −∫= (9)

)/(1 2rsm LLL−=σ (10)

Rotor akı bağı:

erdr θψψ cosˆ= (11)

erqr θψψ sinˆ= (12)

22ˆ qrdrr ψψψ += (13)

Elektro manyetik tork:

))()((22

3dsqrqsdre iiPT ψψ −= (14)

Açısal pozisyon:

)(tan 1

dr

qre ψ

ψθ −= (15)

2.2. Alan Yönlendirmeli Kontrol (Field Oriented Control - FOC)

FOC Hesse tarafından 1968 yılında ve Blashke tarafından 1971 yılında önerilmiş bir yöntemdir [12,13]. Diğer bir adı vektör kontrol olan ve Şekil 2’de gösterilen yöntemin temel prensibi, motor akımını moment çıktısı ve akı çıktısı olmak üzere iki boyutlu düzlemde birbirine dik d-q ekseninde iki bileşene ayırmaktır. Böylelikle elektro manyetik tork ve akı birbirinden bağımsız bir şekilde kontrol edilebilir.

Şekil. II. Alan yönlendirmeli kontrol şeması

904

3. MERMER TAŞIMA ROBOTU TASARIMI

Kesilen mermerlerin pürüzsüz bir şekil alabilmesi için silim makinesinden geçmesi gerekir. İnsan gücü ile ya da manüel taşıma sistemleri kullanılarak kesilen mermerler silim makinesine aktarılır. Bunun için iki eksen bir robot ve uygun bir tutucu tasarlanmıştır.

Robot tasarım aşamasında Y ekseni hareket sistemi için kayışlı, yüksek tutma torkuna sahip olması için Z ekseni hareket sistemi kramiyer ve pnion olarak seçilmiştir.

Şekil. III. a-) Z ekseni hareket mekanizması, b-) Y ekseni hareket mekanizması

Şekil 3 teki Tm ler motorun üretmiş olduğu mekanik torkları, Fm ler ise motorun üretmiş olduğu mekanik torkun dönüşümü olan hareket kuvvetini temsil eder. K1, K2 ve K3 mekanik hareketi sağlamak için kullanılan kayış üzerindeki gerilme kuvvetlerini temsil eder.

Şekil. IV. Robot kontrol şeması

Robot kontrol sisteminde insan makine iletişimi için HMI, ana kontrol sistemi için PLC ve FOC kontrolü uygulayarak pozisyon kontrolü yapabilmek için 3 Faz AC sürücüler kullanılmıştır. Güvenlik parametrelerini artırabilmek için robot güvenlik sensörleri ile donatılmıştır

905

Şekil. V. Robot şeması

Her eksen için fiziksel ve endüktif limit anahtarlar, robot çalışırken çalışma alanına girilme durumunda robotu durduran ışık perdesi ve her herhangi bir engel veya insan ile teması sonucunda insan ve robot güvenliği için yazılımsal olarak geliştirilen sistem ile robotun durdurulması sağlanmıştır. 60 kg mermerleri taşıması için 2x8 olmak üzere toplam 16 vakum ucu ile bir vakumlu tutucu tasarlanmıştır.

Robotun çalışma sistemi ise HMI ile operatörün belirmiş olduğu palet tipi, stok yapılacak mermer sayısı, hız vb. ayarların yapılarak robotu başlatması ile proses başlamış olur. Robot, palet bölümüne yerleştirilen palet üzerine dizili silinmemiş mermerleri vakumlu tutucu yardımı ile tutar ve belirtilen stok mermer sayısı kadar mermerleri stoka taşır. Belirtilen stok sayısına ulaştıktan sonra kalan mermerleri konveyöre taşıyarak slim makinesine beslemeye başlar. Paletteki mermerler bittiğinde robot HMI ile görüntülü ve sesli olarak operatörü uyarır. Operatör yeni paleti yerleştirirken robot daha önce stok yapmış olduğu mermerleri konveyöre taşıyarak silim makinesini beslemeye devam eder. Böylelikle silim makinesi daha verimli ve güvenli bir şekilde çalışmış olur.

4. ENDÜSTRİ 4.0 HAZIRLIK

Endüstri 4.0 [14], ilk defa 2013 yılında Almanya’da Hannover fuarı sırasında adını duyurdu. Geleneksel fabrikaların dijitalleşmesi için bir girişim olarak sunulmuş ve Alman sanayisinin daha verimli, etkili, esnek, uyarlanabilir ve güvenilir fabrikalar elde etmesini amaçlanmıştır. Endüstri 4.0 üretimdeki tüm makinelerin internet ile birbirlerine bağlanarak ve tüm algılayıcıları ile topladıkları verileri birbirleri ile paylaşıp analiz ederek, merkezi olmayan kararlar verebilmelerine olanak sağlamıştır. Alınan veriler uygun algoritmalar ile kaynak tasarrufu, arıza tespiti ve bakım süresi belirleme gibi verimliliği artıracak birçok parametre ortaya çıkarır. Her bir mermer taşıma, kendine özgü bir örüntü oluştururken bu örüntüyü oluşturan temel değişkenler, çekilen akımın integrali, sürücü devresindeki IGBT ve kapasitör sıcaklıkları ve DC bara gerilimidir. Ortam sıcaklığından, elektromekanik sistemdeki hatalara kadar her biri örüntü değişimine sebep olur. Bu sayede özellikle yağlama eksikliği gibi basit hatalar önceden kestirilerek, arızaların önüne geçilmiş olur.

906

Şekil. VI. Alınan verilerin HMI da görüntüsü

Şekil 6’de gösterildiği gibi, robot üzerinde her iki eksende bulunan motorların akım, gerilim, hız, pozisyon, enerji tüketimi vb. alına bilecek tüm veriler internet erişimi ile endüstri 4.0 için paylaşılabilir hale getirilmiştir. Prototip Robotun son hali Şekil 7’da gösterilmiştir.

Şekil. VII. ROBO-MARB DP 1002 ve Vakumlu Tutucu

5. SONUÇLAR

Robotta kullanılan FOC yöntemi ve güvenlik sensörleri ile diğer taşıma sistemlerine göre daha az enerji tüketimi, daha güvenli ve esnek bir taşıma robotu tasarlanmıştır. Asenkron motor pozisyon kontrol için FOC kullanarak servo motor ve sürücü maliyetinden kurtulup yatay eksende 220 µm, dikey eksende 154 µm hassasiyet elde edilmiş, 60kg kadar olan mermer levhaların paletlenme ve paletbozma süreçlerini otomatikleştiren bir Robot tasarımı gerçekleştirilmiştir. FOC yöntemi ile her bir asenkron motora 1Hz e kadar sürülebilme kabiliyeti kazandırılmıştır. Açık çevrim vektör kontrol yöntemine göre %38,6 oranında güç tasarrufu yapılmıştır. Robota kazandırılan Endüstri 4.0 hazırlık çalışması, robotun uzaktan kontrolünü sağlamakla kalmayıp, olası arızaların önceden kestirilerek arıza durumları oluşmadan kestirimci bakım olanağı sağlamıştır.

REFERANSLAR [1] Lloyd S. Peters, Elizabeth J. Brackmann, and William T. Park, “Future Directions In Automation and Robotics For Manufacturing,” International Electronic robotics into manufacturing and suggests development, 1987 IEEE

[2] Wong Sai Kit ve Chitturi Venkatratnam “Pick and Place Mobile Robot for the Disabled through Voice Commands” Kualalumpur, Malesya. 2017 10.1109/ROMA.2016.7847799

[3] Thet T. Mon, Wan. M. Zulhasifi, Rosli A. Baker, Virtual design of multi-axis positioning for robotic application, IEEE Mechatronic and Embedded Systems and Applications, 2008. MESA 2008.

[4] R. Marino, S. Peresada, and P. Tomei” Global Adaptive Output Feedback Control of Induction Motors with Uncertain Rotor Resistance,” IEEE Trans. Automat. Contf, Vol. 44, NO. 5, pp. 968-983, 1999.

[5] Pompeo Marino, Michele Milano, and Francesco Vasca, Member, IEEE “Linear Quadratic State Feedback and Robust Neural Network Estimator for Field-Oriented-Controlled Induction Motors” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 46, NO. 1, FEBRUARY 1999 0278–0046/99$10.00 ã 1999 IEEE

[6] Casadei, Domenico, et al. "FOC and DTC: two viable schemes for induction motors torque control." IEEE transactions on Power Electronics 17.5 (2002): 779-787.

907

[7] G. K. Singh, K. Nam, Member, IEEE, and S. K. Lim, Student Member, IEEE “A Simple Indirect Field-Oriented Control Scheme for Multiphase Induction Machine” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 52, NO. 4, AUGUST 2005 0278-0046/$20.00 © 2005 IEEE

[8] Antonio B. de Souza Junior; Tobias R. Fernandes Neto; Dalton de A. Honório; Luiz Henrique S. C. Barreto; Laurinda L. N. dos Reis “Hybrid Position Controller for an Indirect Field-Oriented Induction Motor Drive” Fortaleza-CE, Brazil, 978-1-4799-6735-3/15/$31.00 ©2015 IEEE

[9] Kumar, Amit, and Tejavathu Ramesh. "Direct field oriented control of induction motor drive." Advances in Computing and Communication Engineering (ICACCE), 2015 Second International Conference on. IEEE, 2015.

[10] Mohamed, Essam EM, Taiea A. Ahmed, and Mahmoud A. Sayed. "Real-time simulation of position control for linear induction motor drives using cascaded sliding mode control." Innovative Trends in Computer Engineering (ITCE), 2018 International Conference on. IEEE, 2018.

[11] Edith Clarke, "Circuit Analysis of AC Power Systems. Vol. I.", Wiley, New York, 1943

[12] F. Blaschke, “Das Prizip der Feldorientierung, Die Grundlage fur die TRNSVEKTOR-Regelung von Asynchnmachinen,” Siemens Zeitschrift, vol. 45, p. 757-768, 1971.

[13] Choi, Y., Choi, H. H., Jung, J., “Feedback Linearization Direct Torque Control With Reduced Torque and Flux Ripple for IPMSM Drives”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 5, p. 3728-3737, 2016.

[14] H. Kagermann, W. Wahlster, and J. Helbig, “Securing the Future of German Manufacturing Industry: Recommendations for Implementing the Strategic Initiative INDUSTRIE 4.0,” ACATECH – German National Academy of Science and Engineering, Tech. Rep., 2013.

908

A Literature Review on the Electricity Market Simulators

O.Altuntaş1*, B.Oral2

1 Core Banking Applications Development Department, Albaraka Turk Participation Bank, Istanbul, Turkey

2Department of Electrical-Electronics Engineering, Marmara University, Istanbul, Turkey

Abstract The electricity markets, with the liberation movement, have been transformed into a structure containing multiple undertakings and intensive operational processes. Especially, in the pioneer of developed countries, a rapid change has been observed in the energy markets of many countries in recent years. The electricity market is structured to have variable players, such as producers and consumers, each with distinct characteristics. In this study, electricity market simulators aim to provide understandable in participants of the electricity market operation and to those who want to participate. Thus, simulator studies in national and international conducted in the academic environment is examined. In this context, the world electricity market is mentioned and the electricity market simulators are presented under the titles of related studied.

Keywords: Electricity Market, Simulator, Simulation, Restructuring

1. GİRİŞ

Elektrik piyasaları kendi içinde kompleks ve birçok karakteristiği içeren bütündür. Elektrik piyasasının yeniden yapılanmasıyla birlikte karmaşıklığı ve öngörülememesi ile beraber optimize fiyatlar ile fiyat oluşumu işleyişi de başlanmıştır[1].Elektrik Piyasasının işleyişi ve oyuncuların elektrik piyasasındaki interaktif rolleri, piyasa da çalışanların ve çalışmak isteyenlerin bu yapıyı anlamak ve uygulamak adına benzetim programlarına veya diğer bir ifade ile simülatör ihtiyacı doğurmuştur[2-3]. Böylesi bir durumda elektrik piyasa simülatörü teklif çalışma stratejileri, piyasa operasyonları ve piyasa katılımcıları için oldukça yararlı bir yazılım olacaktır[4].

Elektrik piyasalarının liberalleşme hareketi 1982’de Şili’de başladı. Benzer şekilde Kıta Avrupası ve ABD’de ardından uygulamaya başlanmıştır[5].Türkiye elektrik piyasası 1980’lerin ilk yarısından sonra oluşmaya başladı. Çoğu yeni elektrik piyasası gibi Türk elektrik piyasasında uzun ve bol değişimli zamanlardan geçti. Piyasa koşullarına bakıldığında işleyiş hakkında farklı disiplinlerin getirdiği oluşum, nitelikli insan gücü bulmayı hala zorlaştırmaktadır. Hatta elektrik piyasasında aktif rol alan şirket çalışanları bu çerçevenin içinde kalabilmektedir. Dolayısıyla gerçek piyasa yapısında oyuncu olmadan önce gerçek piyasa ortamında nelerin olduğunu bilmeleri ve egzersiz yapmaları bireylere fayda sağlayacaktır[6].

Türkiye’de elektrik piyasasında yeniden yapılanma 2001 yıllarında başladı. Bu yapı optimal fiyat ve yeni katılımcıları çeken yüksek profilli işleyişi beraberinde getirmiştir. Tedarik şirketleri günlük olarak EPİAŞ tarafından belirlenen fiyatlar üzerinden işleme yapmaktadır [7]. Elektrik piyasalarında liberalleşme dikey olarak üretim, iletim ve dağıtımı kapsar. Rekabetçi ve şeffaf oluşumda fiyatlanma, üretim ve tüketim daha verimli sistem mekanizmasına sahip olmuştur.[8].

Bu çalışmada, elektrik piyasa işleyişinin piyasa katılımcıları ve katılmak isteyen bireylere anlaşılır olması amacı ile akademik ortamlarda yapılmış olan ulusal ve uluslararası çalışmalardaki simülatör çalışmaları ele

*Sorumlu Yazar. Tel.: +90 216-666-01-017/60571 : fax: +90 216-666-16-00 E-posta: oguzaltuntas@marun.edu.tr (O. Altuntaş).

909

alınmıştır. Bu kapsamda dünya elektik piyasalarından bahsedilerek, yapılan elektrik piyasa simülatörleri ilgili çalışmalar başlığı altında sunulmuştur.

2. DÜNYA ELEKTRİK PİYASALARI

Elektrik piyasasında ilk liberalleşme çalışmasının başladığı Şili’de üretim ve dağıtım şirketleri ilk etapta ayrılarak çalışmaya devam ettiler. Liberalleşme çalışmasından önce maliyet baz formatına göre yapılan fiyatlamalar, liberalleşmeyle bilirlikte marjinal maliyet sistemine göre belirlenmeye başladı. Geniş ölçekte değişim 1986 yılında başladı[9].1989 yılında İngiliz elektrik sektöründe reform başladı. Merkezi elektrik kurulunun öncülüğünde ilerleyerek, elektrik güç havuzu tabiriyle adlandırılan yapısıyla İngiltere, Galler ve İskoçya kapsatan bir elektrik piyasa yapısına kavuşmuştur[10].

Amerika Birleşik Devletleri elektrik reformuna 1992 yılında başlayarak, enerji politikası olarak üretim ve iletimi ayırdı.2003 yılına gelindiğinde elektrik üretimi yüzde45’lik büyük payla özel sektördeydi[11].1996 yılında Yeni Zelanda yeniden yapılanmaya giderek NZEM(Yeni Zelanda Elektrik Piyasası) kurdu. Avusturalya Ulusal Elektrik Piyasası(NEM), 2002 yılı itibariyle ülkedeki müşteriler kendi perakende tedarikçilerini seçebilir durumdaydılar[12]. Almanya’da Avrupa ile birlikte liberalleşen elektrik piyasasına uyum sağlamaya 1998 yılında başladı ve ardından bir yıl sonra yüz yıldan fazladır süre gelen monopol piyasayı bitirdi. Elektrik fiyatları yüzde altmış oranında düştü[13].İspanyol elektrik reformu da 1998 senesinde başladı. Amaç likidite ve toptan elektrik piyasasına olan güveni fiyat tabanlıda sağlamaktı. İspanyol piyasası gün öncesi, gün içi ve yan pazar olarak şekillendi[14].

Nasdaq OMX,2008 yılında Norveç finansal elektrik piyasası olan NordpoolASA’yı satın alarak elektrik piyasalarına adım atmıştır. Bu borsa üzerinden İskandinavya, Almanya, Britanya ve Hollanda elektrik future ve opsiyon kontratlarının alışverişi yapılabilmektedir. Referans fiyatı olarak ilgili spot piyasaların fiyatları kullanılarak nakit uzlaşma yoluna gidilmektedir. Nakit uzlaşma ilgili kontratın özelliğine göre alım-satım süreci boyunca ve/veya teslim sürecinde yapılabilmektedir. Bu borsada on yıla kadar vadeli kontratlar işlem görmektedir. Nakit uzlaşmalar borsa içerisindeki bağımsız bir yapı olan ve anlaşmaların finansal garantisini sağlayan takas odası ve anlaşmalı bankalar üzerinden yapılmaktadır[15]. Teknolojinin gelişimi elektrik enerjisinin ekonomik anlamda spot veya türev bazlı ticaretinin hem ülke sınırları içerisinde hem de sınır ötesinde farklı üretici ve tüketiciler arasında gerçekleştirilebileceği bir enterkonnekte sistem yapısının oluşmasını sağlamıştır. Elektrik enerji borsalarında Almanya ve Avusturya’nın oluşturduğu EPEX,EXAA spot piyasalarının diğer ülkelerde faaliyet gösteren Danimarka(NORTPOOL), İsveç (NORTPOOL, Çek Cumhuriyeti (OTE), Polonya (POLPX), İsviçre (EPEX), Fransa (EPEX) vb. gibi birçok piyasayla organik bağları bulunmaktadır[16]. Enerji piyasasında serbestleşme sürecine önceden dahil olan ve gerekli reformları gerçekleştiren ülkeler bu süreçte önemli gelişmeler kaydetmişlerdir[17].

Rusya enerji ticareti yaptığı MoscowEnergy Exchange (MOSENEX) 2005 yılında kurulmuştur. Özel sektör iştiraki MOSENEX 12 hissedara sahiptir ve bunların en büyüğü %25 hisseye sahip olan Rusya Menkul Kıymetler Borsası’dır. MOSENEX piyasasında çoğunluğunu üreticilerin oluşturduğu 200 enerji firması işlem görmektedir. Günümüzde ise ülkede üretilen toplam elektriğin yaklaşık %1’inin ticareti bu borsa üzerinden yapılmaktadır. Yüz ölçümü olarak büyük topraklara sahip Rusya’da özellikle mevsimsel sıcaklık farklarının çok oluşu elektrik fiyatlarındaki oynaklıkların en büyük nedeni olarak gösterilmektedir. Halihazırda aylık vadeli future kontratların işlem gördüğü piyasada üreticiler ve satış şirketleri fiyatları stabil tutarak riskten kaçınabilmektedir[18]. Türkiye 2001 yılından itibaren, hızlı talep artışına sahip olan elektrik enerjisinin özel sektör yatırımlarıyla karşılanması için uzun süreli ve aşamalı bir planlamayı yürürlüğe koymuştur. Takip eden süreçte,2013 yılında çıkan 6446 kanunla birlikte gün öncesi piyasasının gelişimi ile başlangıçta %25’ler seviyesinde işlem hacmine sahip olan spot piyasası mevcut durumda toplam işlem hacminin %50’den fazlasının gerçekleştiği bir piyasa kimliğine kavuşmuştur. Şuan için gün içi, gün öncesi, dengeleme güç piyasasına sahip elektrik piyasası yeniden yapılanma sürecine devam etmektedir[19]. Liberalleşme ile birlikte elektrik piyasasında rekabetin oluşacağı ve giderek artacağı bu sayede de elektrik fiyatlarının düşeceği varsayılmaktadır. Bu varsayım doğru olmakla birlikte büyük bir fiyat oynaklığını da beraberinde getirmektedir. Spot piyasalarda karşılaşılan bu durum finansal türev araçların piyasaya girmesine neden olmuştur. Enerji piyasalarında spot piyasa fiyat oynaklıklarının her zaman türev piyasalardaki fiyat oynaklıklarından fazla olduğu görülmüştür [20].

3. ELEKTRİK PİYASA SİMULATÖR ÇALIŞMALARI

Yeniden yapılanan ve ticari işleyişi ile farklı bir hal alan elektrik piyasalarını bireylerin daha iyi anlaması için benzetmek amacıyla yapılmış olan çalışmalar bu bölümde sunuluştur. Bunlar, piyasa katılımcılarının davranışlarının benzetip, geliştirilen stratejilerin analiz çalışmasının yapılması için elektrik piyasalarının bir

910

oyun şeklinde modellenmelerini içeren çalışmalardır. Bu bağlamda simülatör örnekleri analiz edilerek değerlendirildi.

3.1. Enerji Oyunu: Rekabetçi Piyasada Uzun Dönemli Elektrik Piyasa Simülasyon Oyunu

L.J. De Vriesa, E. Subramahnianbandve E.J.L. Chappinc’inbirlikte yürüttüğü enerji piyasası için geliştirilmiş simülasyon oyunu çalışmasında, elektrik piyasalar işleyişini sınıflaştırarak, öğrencileri üretici, tüketici, öğretmenleri operatörleri öğretmen rolü verilerek tekliflerin sistemde tutulması sağlanıyor. Oyuncular beş ayrı üretim şirketi pozisyonunda, ürettikleri elektriği satarak piyasa ortamı oluşup, rekabet etmektedirler. Genellikle iki ya da üç katılımcı bir üretici şirket için rol paylaşıp, uzun periyotlu planlama yapılıp üretim ve tüketim dengesi oluşturuluyor. Tekliflerden oluşan takas fiyatının oluşmasının ardından arz-talep dengesine göre eşleşmeler yapılmaktadır. Eşleşen tekliflerin sonucunda sisteme girilmiş hesaplara ilgili tutarlar aktarılmaktadır[21].

Şekil. I. Arz-talep grafiği

3.2. Enerji Piyasası İçin Simülasyon Platformu

JuricaBabić, yüksek lisans tezinde enerji piyasası için platform geliştirmesi üzerine yaptığı çalışmasında powerTAC(Enerji ticareti) ismini verdikleri çalışmasında proje paydaşları; Selanik Aristoteles Üniversitesi, Carnegie Mellon Üniversitesi, Delft Teknoloji Üniversitesi, Minnesota Üniversitesi, Rotterdam Yönetim okulu ve modülü geliştiren Zagreb Üniversitesidir. Projede akıllı şebeke fonksiyonları da içine katarak 3 katmanlı mimariyi kullanarak elektrik piyasa platformu geliştirdi.

Şekil. II. Çok katmanlı fonksiyonel akıllı şebeke mimarisi[22].

Java teknolojisiyle geliştirilen modülde use-case senaryolarına bağlı kalarak piyasa işleyişinin olmazsa olmazı olan müşteriler için fiyatları, tekliflerin durumlarını piyasalarda meydana gelen fiyat kırılımlarını inceleyebilecekleri ekranları sağlamışlardır[22].

911

Şekil. III. Power TAC platform yapısı[22].

3.3. Kümelenmiş Elektrik Üreticilerine İlişkin Bir Oyun

Alper Günaydın , “Kümelenmiş elektrik üreticilerine ilişkin bir oyun” adlı yüksek lisans çalışmasında, elektrik piyasasını oyunlaştırarak, piyasa üzerinde analizlerin yapılabilmesini sağlamıştır. Piyasa oyuncularının davranışlarını ayrık kümeleyerek stratejik kümede çarpanlarla işlemiştir. Ayrıca birden fazla piyasa senaryoları farklı oyun değişkenleriyle birlikte test etmiştir. 2008 yılındaki ayrı dört zaman dilimi için Türkiye Elektrik Piyasasının gerçek verilerini kullanarak kümeleme yapıp, oyun senaryolarına ilişkin oyun çıktıları karşılaştırılmıştır. Senaryoların akışına göre yeterli rekabet olması, olmaması ya da denge durumuna göre yüksek ya da düşük fiyatlı yük alma, yük atma teklifleri verilmesi tavsiyeleri bulunmaktadır[23].

3.4. Türk Elektrik Piyasası Simülasyon Oyunu

Alp Eren Aydın, Türk elektrik piyasasını baz alarak yaptığı yüksek lisans tezi çalışmasında oyun yapısını kullanmış olup, Türkiye elektrik piyasasının işleyişini, ticaret temellerini, rekabet ortamını öğreterek gerçek market ortamında egzersiz yapabilme imkanını sunmuştur. Çalışmada Türk elektrik piyasasında gerçekleşen senaryoları gerçekleyebilen yeteneklere benzer işleyişler mevcuttur. Katılımcılara gerçek piyasadaki elektrik santrallerine yatırım yaparak sahip olup ticaret yapabilmektedir.

Şekil. IV. Müşterilerin kontratlarının görüldüğü sayfa [24].

3.5. Mascem (Rekabetçi Elektrik Piyasaları İçin Simülatör)

Mascem, 4-5 üniversitenin konsorsiyum ile ortaya çıkmış elektrik piyasa simülatörüdür. Çalışmada kompleks elektrik piyasasını modelleyerek, dinamik yapıdaki piyasa bileşenlerini, piyasa oyuncularını orta/uzun vadede oluşan kullanıcı verilerini karar destek mekanizmasıyla, karakteristik yapıları sunan sanal piyasa yapısı

912

oluşturulmuştur. Piyasa akışında, piyasa yöneticisinin yetkisinde bulunan, alıcı ve satıcıların teklifleri bir havuza düşer, piyasa fiyatı oluşur, takas fiyatına göre eşleşmeler, olumlu veya olumsuz sonuçlanır[25].

Şekil. V. Mascem mimarisi[26].

3.6. Enerji Mühendisliği Laboratuvarı: Elektrik Piyasası Simülatörü Conejove arkadaşlarının IEEE destekli Elektrik piyasa simülatörü geliştirilmesi için yaptıkları çalışmada MATLAB üzerinden okunabilen dosya formatları yardımıyla İspanya elektrik piyasasından esinlenerek, lisans öğrencileri için senaryolar oluşturularak çıktıları incelenmiştir. Saatlik MWh cinsinden tekliflerin, beşli öğrenci gruplarından gelen taleplere göre piyasa operatörü piyasa takas fiyatını belirler. Piyasada oluşan fiyatlama ve buna bağlı oluşan arz fazlası veya dengesizliği gösteren sonuçları kullanıcılar, simülatör yardımıyla öğrenebilmektedir[27].

Şekil. VI. Simülatör akış mimarisi[27].

Şekil 6. bahsi geçen MO piyasa operatörü,- GENCOs üreticiler, CONCOs tüketiciler olup piyasa akış ve işleyişini gösterir.

913

Şekil . VII. Piyasa fiyat algoritması [27].

3.7. ITEM-Game (Elektrik Piyasalarında Yatırım ve Ticaret Oyunu)

ITEM-Game, IEEE, INESCTEC gibi enerji ve yazılım sponsorlarıyla geniş organizasyon şemasına sahip olan elektrik piyasası simülatör çalışmasıdır. Çalışmada kullanıcı ad ve şifresi bulunan oyuncuların her biri elektrik şirketini temsil ediyor ve yatırım yapabilmektedir. Enerji oyuncuları, santraller kurup bu santrallerden üretilen elektrikleri satarak kar ve zararlarına göre konum almaktadırlar. Oyun on periyottan oluşup her periyot 8766 saate denk gelmektedir. Her oyuncuya başlangıç olarak 200 € bütçe verilmektedir. Oyuncuların yatırım, ticaret stratejilerinde geliştirebildiği enerji oyununda, üreticiler piyasada al-sat ve yatırım yaparak elektrik ticaretlerinin bitiminde en çok kar eden oyunu kazanmaktadır. Oyun python programlama diliyle geliştirilmiş olup çoklu katılımcıyı destekleyen platforma sahiptir. Santral kapasitelerini 4 zamanlı inceleyerek, talep(Dt), operasyonel kapasite (APt), hedeflenen kapasite (PTt) kullanarak aşağıdaki denklemle sağlamışlardır[28].

𝑃𝑃𝑡𝑡𝑇𝑇 = 𝑇𝑇.𝐷𝐷𝑡𝑡+4 − 𝐴𝐴𝑃𝑃𝑡𝑡+4

Şekil. IX. Örnek piyasa yatırımcı çıktıları [28].

4. SONUÇ

Enerji piyasanın dinamik yapıya kavuşmasıyla birlikte katılımcıların rekabette avantaj elde etmek adına kısa süreli talep/fiyat tahminlerine verdiği önem artmıştır. Tahminlerin mümkün mertebe doğru yapılması, özellikle sistemin dengesizliğe düşmesi nedeniyle oluşacak maliyetleri azaltmakta ve gerçek zamanlı sistem güvenilirliğini artırmaktadır. Piyasanın kurulması, gerekli yasal altyapının oluşturulması, piyasa oyuncularının yeni sisteme adaptasyonu gibi konuların istenen düzeye gelmesi belli bir süre almaktadır. Dolayısıyla piyasaya ilgi duyan ve ilerleyen zamanda piyasa oyuncusu olmaya aday kişilerin elektrik piyasa simülatör ihtiyacı önem arz etmektedir. Bu bağlamda elektrik piyasası simülatörleri, özellikle farklı disiplinleri içeren yapılarda çalışanların, öğrencilerin, piyasaya katılmak isteyen bireylerin öğrenmelerine katkı yapacaktır. Bu çalışmada

914

literatür incelemesi olarak dünya üzerinde yapılmış elektrik piyasa simülatörler bazıları incelenmiştir. Bunlardan bazıları sadece öğrencileri hedeflerken diğerlerinin gerçek piyasa yapısında bulunan ve oyuncuların kabiliyetini artırmak ve hızlı karar alma sürecini etkilemek amaçlı oluşturulduğu görülmüştür. Bu bağlamda çalışma geliştirilmek istenen veya istenecek elektrik piyasa simülatörleri için kaynak niteliğindedir.

REFERANSLAR [1] Meeus, L.,Purchala, K., &Belmans, R. Development of theinternalelectricity market in Europe. TheElectricityJournal,

18(6), 25-35,2005

[2] Badawy,R.,Yassine, A., Heßler,A.,Hirsch B. ,Albayrak,S., A Novel Multi-Agent SystemUtilizing Quantum-İnspiredEvolutionforDemandSide Management in theFuture Smart Grid, IntegratedComputer-AidedEngineering, 2013.

[3] Shahidehpour, M.,Yamin, H. ,Li Z., Market Operations in ElectricPowerSystems: Forecasting, Scheduling, and Risk Management, Wiley-IEEE Press, 2002.

[4] Hongjin, L., Bin, Y., Hong, D., Jiken L Framework Design of a General-PurposePower Market SimulatörBased on Multi-Agent Technology, in Proc. IEEE PowerEng. SocietySummer Meeting, 2001.

[5] Demirberk, Ü. ,K.,TemperatureInTurkeyandTurkıshDayAheadElectrıcity Market Prices: ModelingandForecastıng, Orta Doğu Teknik Üniversitesi,Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,Eylül, 2012.

[6] Aydın, A., E.,TurkishElectrıcity Market Simulation Game, Boğaziçi Üniversitesi,Yönetim Bilgi Sistemleri,Yüksek Lisans Tezi, Sayfa 1-3,2013.

[7] EPIAS,EnerjiPiyasalariİşletmeAnonimŞirketi web sitesi(2018), Erişim:https://www.epias.com.tr /

[8] Weron,R.,ModelingandForecastingElectricityLoadsandPrices, Wiley Finance, West Sussex, 2006.

[9]Pollitt,M.,Electricity reform in Chilelessonsfordevelopingcountries, MIT Center forEnergyandEnvironmentalPolicyResearch, 2004.

[10]Newbery, D.,Electricityliberalization in Britain: thequestfor a satisfactorywholesale market design, EnergyJournal, 2005.

[11]Cuaresma, J.C.,Hlouskova J., Kossmeier S., Obersteiner M. “ForecastingElectricity Spot-Prices Using Linearunivariate Time-Series Models”, AppliedEnergy, 2004.

[12]Sharma, D.,Themultidimensionality of electricity reform-an Australianperspective, Energy Policy,2003.

[13]Bower, J., D. Bunn, W. ,WattendrupWattendrup, C., A model-basedanalysis of strategicconsolidation in theGermanelectricityindustry, EnergyPolicy, 2001.

[14] Crampesand,C.,FabraN., The Spanish electricityindustry: plus ¸cachange...,International AssociationforEnergyEconomics,Paper, Kasım8, 2004.

[15] Peljo, J.,FuturesPricing in theNordicElectricity Market,Yüksek Lisans Tezi, AaltoUniversity School of Business, 2013.

[16]Ziel, F.,Steinert, R., Husmann, S.,Forecastingdayaheadelectricity spot prices: Theimpact of the EXAA tootherEuropeanelectricitymarkets. ,EnergyEconomics, 2015.

[17] Deloitte Türkiye (2014), Serbestleşme yolunda perakende elektrik ticareti. Erişim:https://www.deloitte.com.tr

[18]Temizel,F., Koç,C.,A.,Elektrik Enerjisi Ticaretinin Finansal Piyasalar İçindeki Yeri: Türkiye İçin Öneriler,Anadolu Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi,3 (135-144), 2015.

[19] Çetintaş, H.,Bicil, İ.,. Elektrik Piyasalarında Yeniden Yapılanma ve Türkiye Elektrik Piyasasında Yapısal Dönüşüm, Optimum Ekonomi ve Yönetim Bilimleri Dergisi,5, 2(2),1-15,2015.

[20]Krapels, N. ,ElectricityTradingandHedging, Risk Book, 2002.

[21] Vrriesa L.J.,Subramahnianb E. ve Chappinc E.J.L. ,A Powergame: SimulatingtheLong-Term Development of an ElectricityMarket in a Competitive Game, Second International Conference on InfrastructureSystemsand Services: Developing 21st Century Infrastructure Networks (INFRA),2009

[22] Babić J.,A Simulation Platform ForPowerTrading,Zagreb Üniversitesi, Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Fakültesi, Yüksek lisans tezi,Haziran 2012.

[23]Günaydın, A., A Game Of ClusteredElectricityGenerators, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,Yüksek Lisans Tezi, Mayıs ,2008.

[24]Aydın, A., E.,TurkishElectrıcity Market Simulatıon Game, Boğaziçi Üniversitesi,Yönetim Bilgi Sistemleri,Yüksek Lisans Tezi, Sayfa 30-80 2013.

[25]Pinto, T., Vale, Z., Sousa, T., Praça, I., Gabriel, S., Hugo, M., Adaptive Learning in Agents Behaviour: A Framework for Electricity Markets Simulation ,Integrated Computer-Aided Engineering, 2014.

[26]Multi-Agent Simulator of Competitive Electricity Markets website (2018), Erişim: http://www.mascem.gecad.isep.ipp.pt/overview.php/

915

[27]Contreras ,J. , Conejo, A. J. , Torre, S.,Munoz, M.,PowerEngineeringLab: Electricity Market Simulatör, IEEE PowerEngineeringReview,2002.

[28]Ramalho A.,Sousa A.M. J., Trigo, P., InvestmentfocusedStrategies in ElectricityMarkets UsingtheItem-Game Simulatör,11th International Conference on theEuropeanEnergy Market (EEM14) ,Krakow, Poland ,28-30 Mayıs 2014

916

A Simulator Study on Learning about Operation of Turkish Electricity Market

O. Altuntaş 1*, B. Oral 2

1 Core Banking Applications Development Department, Albaraka Turk Participation Bank, Istanbul, Turkey

2 Department of Electrical-Electronics Engineering, Marmara University, Istanbul, Turkey

Abstract The movement of liberalization in the electricity markets has started in the lead of the developed countries and has affected the electricity market of many countries and brought a rapid change in recent years. Thus, electricity markets have become from monopoly structure to competitive markets. Turkey's electricity market in a transparent, robust and legally conversion No.4628 enacted the Electricity Market Law in 2001. Private sector investments have contributed to the process by increasing with a considerable momentum in this period. Thus, electricity trade, which started with bilateral agreements, also have been reached into spot market functioning. With the new Electricity Market Law numbered 6446, which entered into force in 2013, better understanding of this structure by all the participants working and who want to work in the sector must be improved with the trainings to be taken during in-service, undergraduate and graduate. In this study, particularly aimed electricity market simulator design in order to understand the new structure and operations of Turkish electricity market. In this context, it is emphasized about Turkish electricity market, the market's operating is also mentioned and given the flow simulator design, screen output are shared.

Keywords: Electricity Market, Simulator, Turkey Electricity Market, Simulation

1. GİRİŞ

Yeniden yapılanan elektrik piyasalarında da en önemli husus, bir güç sisteminde elektrik enerjisinin özelliğinden oluşan üretimi ile tüketimi arasındaki dengeyi sağlamaktan geçmektedir. Elektrik enerjisi ihtiyacının ve üretiminin bu değişime paralel olarak göstermiş olduğu oyuncu artışı, bu özelliğin yürütülmesini enerji piyasalarının serbestleşme süreci ile beraber kendini daha etkin olarak hissettirmiştir.

Türkiye’nin artan enerji ihtiyacının tahmini, çeşitli senaryolara göre TEİAŞ tarafından yapılmakta ve bu tahminler Piyasa Mali Uzlaştırma Merkezi (PMUM) tarafından yayınlanmaktadır[1]. Bu gelişmeler kapsamında elektrik enerjisinin dağıtımı ve iletiminin önemi daha da önem arz etmektedir. Arz tarafında alternatif enerji kaynaklarını ihtiyaç olduğunda devreye sokmanın yanı sıra talepteki ani çıkan artışlara karşı şebekede tutulması gereken düşük verimli geleneksel enerji kaynaklarının katkısının mümkün olan en alt seviyede tutulması için elektrik tüketiminin takibi ve tahmini hayati önem taşımaktadır. Bunun yanı sıra talep tarafında çok zamanlı tarife çeşitlerinde gerçek zamanlı tarife ile yayılan geniş yelpazeli çözümler elektrik tüketiminde ani artışları azaltmak için geliştirilmektedir[2,3]. Yeniden yapılanmayla elektrik enerjisi sektöründe rekabetin ve hesap verebilirliğin sağlanması istenmektedir[4]. Uzun yıllar boyunca, elektrik enerjisi sektörü doğal monopol olarak düşünülmüştür. Bunun nedeni, ölçek ve kapsam ekonomileri bakımından elektrik enerjisi kademelerinin tek bir firma tarafından yerine getirilmesinin birden çok firma tarafından aynı işin yapılmasından daha düşük maliyetli olması olarak belirtilmektedir[5]. Buna karşılık, zaman içeresinde elektrik

*Sorumlu Yazar. Tel.: +90 216-666-01-017/60571 : fax: +90 216-666-16-00 E-posta: oguzaltuntas@marun.edu.tr (O. Altuntaş).

917

enerjisi sektöründe üretim kademesinin rekabete açılabileceği fakat iletim ve dağıtım kademesinin düzenlenmesi gerektiğini tartışılmaya başlanmıştır[6]. Yaklaşık 1990’lı yılların başında başlayan bu sürecin sonunda elektrik piyasaları tam rekabetçi hal almıştır.

Bu çalışmada özellikle Türkiye elektrik piyasasının yeni yapısını ve işleyişini kavratmak amacıyla bir elektrik piyasası simulatör tasarımı hedeflenmiştir. Özellikle lisansüstü öğrencilerin hedeflediği bu çalışma, aynı zamanda bu konuda çalışmak isteyen ve sektöre girecek kişilere yol göstermesi amacıyla yapılmıştır. Bu kapsamda Türkiye elektrik piyasası üzerinde durularak, piyasa işleyişlerinden bahsedilmiş ve simulatör tasarımı akışı verilerek, ekran çıktıları paylaşılmıştır.

2. TÜRKİYE ELEKTRİK PİYASASI

Türkiye elektrik piyasası, en yapısal dönüşümünü 2001 yılında çıkarılan 4628 sayılı Elektrik Piyasası Kanunu ile geçirmiştir (Şekil 1). İlk zamanlarda temelde fiyatların taraflar arasında serbestçe belirlendiği ikili anlaşmalara dayalı olan bir piyasa yapısındayken özellikle, Aralık 2011 döneminde başlayan Gün Öncesi Piyasası’nın gelişimi ile yeni bir hal almış hem ikili anlaşmalar hem de spot piyasa yapısının hüküm sürdüğü bir piyasa yapısına dönüşmüştür. Başlangıçta % 25’ler seviyesinde işlem hacmine sahip olan spot piyasa zaman içeresinde mevcut durumda toplam işlem hacminin % 50’den fazlasının gerçekleştiği bir piyasa kimliğine kavuşmuştur [7].

Şekil. I. Türkiye Elektrik Piyasasının Gelişimi [1].

Önceleri dikey bütünleşik bir yapıya sahip olan Türkiye Elektrik Kurumu, günümüzde elektriğin dağıtımı için Türkiye Elektrik Dağıtım A.Ş. (TEDAŞ). Elektrik üretimi için Elektrik Üretim A.Ş. (EÜAŞ), iletimi için Türkiye Elektrik İletim A.Ş. (TEİAŞ) ve toptan satışı için Türkiye Elektrik Ticaret ve Taahhüt A.Ş. (TETAŞ) olmak üzere dört ana şirkete ayrılmıştır. Ayrıca elektrik piyasasının serbestleştirilmesi ve özel sektör yatırımlarının önünün açılması amaçlanarak bağımsız bir otorite olan Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu (EPDK) yeniden yapılandırılmış elektrik piyasalarını düzenlemek, denetlemek ve piyasada faaliyet gösterecek piyasa oyuncularını lisanslandırmak üzere kurulmuştur[8].

2.1. Elektrik Piyasasının Mevcut Durumu

Ülkemiz elektrik piyasasında 1980’li yıllarda başlayan yeniden yapılanma gayreti 2001 yılında yürürlüğe giren 4628 sayılı Elektrik Piyasası Kanunu (EPK) ile gerekli yasal zemine kavuşmuştur. 2001 yılından bu yana piyasanın serbestleşmesi sürecinde çeşitli adımlar kaydedilmiştir. Elektrik piyasasındaki hızlı değişim ve dönüşüme bağlı taleplerin karşılanması amacıyla, 14 Mart 2013 tarihinde kabul edilen 6446 sayılı Yeni Elektrik Piyasası Kanunu (YEPK) ve ilgili yönetmeliklerin yürürlüğe girmesi sağlanmış ve bu değişiklikle birlikte elektrik piyasasında yeni bir dönem başlamıştır. Elektrik sektöründe verilen hizmet doğası gereği, üretimden tüketime geniş bir ağa sahip ve kamu hizmeti niteliği taşımaktadır. Bu sektörde, dağıtım ve iletim faaliyetlerinde yaşanan aksaklıklar nedeniyle sıklıkla yeni mevzuat düzenlemeleri yapılarak piyasanın daha etkin bir yapıya ulaşılması hedeflenmektedir. Elektrik sektöründe, piyasa oyuncusu olan her bir elektrik santrali elektrik üretimi yapmakta, iletim sistemi elektriği uzun mesafelere taşımakta, dağıtım sistemi ise elektriği kısa mesafede tüketicilere ulaştırmaktadır. TETAŞ ve benzeri elektrik toptan satış şirketleri ise, alış ve satış tarafındaki riskleri yöneterek piyasadaki ticari işleyişi sağlamakta, perakende satış şirketleri de elektriği son kullanıcılara satışını gerçekleştirmektedir. Aynı zamanda kurulan Enerji Piyasaları İşletme Anonim Şirketi (EPİAŞ) ile elektrik ticaretinin mali piyasa (borsa) yapısına kavuşması hedeflenmiştir [9].

Bunun yanında teknolojinin gelişimi elektrik enerjisinin ekonomik anlamda spot veya türev bazlı ticaretinin hem ülke sınırları içerisinde hem de sınır ötesinde farklı üretici ve tüketiciler arasında gerçekleştirilebileceği yapısının oluşmasını sağlamıştır. Hem uluslararası enterkoneksiyonla hem de ticari işleyişler ile birçok piyasa birbirine bağlanmıştır [10].

918

2.2. Piyasa Yönetim Sistemi Piyasa fiyatları dengeleme ve uzlaştırma mekanizması aracılığıyla işletilmekte olan gün öncesi, gün içi ve gerçek zamanlı dengeleme piyasasında arz ve talep eğrilerinin kesişim noktasında uçta fiyatlandırma prensibine dayalı olarak oluşmaktadır. Piyasa katılımcıları sistem alış-satış tekliflerini, blok tekliflerini Piyasa Yönetim Sistemi vasıtasıyla sisteme aktararak bildirir. Arz-talep dengesi, sistem kısıtlarını göz önünde bulundurarak, minimal seviyede maliyetle karşılanmasına yönelik en uygun hesaplamaları ve bu hesaplamalar sonucunda ortaya çıkan üretim-tüketim dengesinin mali uzlaştırılmasını Piyasa Yönetim Sistemi (PYS) adı verilen yazılım vasıtasıyla yürütülmektedir [11].

2.3. Gün Öncesi Piyasası Gün öncesi piyasası (GÖP), bir sonraki günün elektrik talebinin gün öncesinden dengelenebilmesi için işletilmektedir. Bu açıdan bakıldığında gün öncesi piyasası, hem piyasanın daha öngörülebilir bir yapıda olmasını sağlayarak piyasa katılımcılarına risklerini asgari seviyeye indirebilmeleri için bir imkân sunmakta hem de sistemin gerçek zamanlı olarak işletilmesi zorunluluğundan kaynaklanan problemlerin çözümü için gün öncesinden dengelenmiş bir sistem bırakarak sistem işletmecisine yardımcı olmaktadır.

Şekil. III. Gün öncesi piyasası[12].

Türkiye Elektrik Piyasasında marjinal fiyatının oluşturulması, satış ve alış emirlerinin oluşturulması ile ilgili yöntem Dengeleme ve Uzlaştırma Yönetmeliğinin 36. maddesine dayanılarak Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu tarafından oluşturulmuştur. Buna göre gün öncesi piyasasında gün öncesi planlamaya dayanılarak sistem gün öncesi fiyatının hesaplanması ve talimat alacak olan tekliflerin tespit edilmesi işlemi elektronik ortamda en uygun şekle sokma aracı kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Her gün saat 11.30 itibarı ile Sistem İşletmecisi tarafından, bir sonraki güne ait talep tahmini, PYS aracılığıyla duyurulur ve saat 14.00’a kadar Piyasa işletmecisi tüm sistem için gün öncesi programını sonuçlandırır. Piyasa işletme aracının çalışma prensibi her bir gün için 24 saatin toplamını göz önüne alarak, üretim ve sistem kısıtları da hesaba katılarak günün her saati için kabul edilecek teklif setlerinin belirlenmesidir[13].

2.4. Gün İçi Piyasası

1 Temmuz 2015 tarihi itibariyle faaliyete başlayan gün içi piyasası katılımın zorunlu olmadığı bir piyasadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının ve buna bağlı santrallerin üretimlerinin diğer santrallere göre gün öncesinden tahmin edilebilirliği güçtür. Yenilenebilir enerji tesislerinin üretimlerine ilişkin gün içinde ve birkaç saatlik aralıklarla yaptıkları tahmin sonuçları, bir gün öncesinden yaptıkları tahmin sonuçlarına göre çok daha az hatalı olmaktadır. Gün içi piyasası, özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının üretim tahminlerinden veya ani gelişen arıza durumlarından kaynaklanan dengesizlik maliyetlerinin gün öncesi piyasasına göre daha aza indirgenmesini sağlamıştır. Gün içi piyasası temelde gün öncesi ve dengeleme güç piyasası ile eşgüdümlü çalışan sürekli ticaretin yapılabildiği ve teslimat zorunluluğu bulunan bir piyasadır. Gün içi piyasası işlemleri saatlik bazda gerçekleştirilir. Gün içi piyasası günü 00.00’da başlayıp ertesi gün 00.00’da sona ermekte ve fiziksel teslimattan iki saat öncesine kadar güncellenebilir [14].

919

2.5. Dengeleme Güç Piyasası

Gerçek zamanlı dengeleme; yan hizmetler ve dengeleme güç piyasasından oluşur. Dengeleme güç piyasası (DGP), Sistem İşletmecisine gerçek zamanlı dengeleme için en fazla 15 dakika içinde devreye girebilecek yedek kapasiteyi sağlar. Frekans kontrolü ve talep kontrolü hizmetleri, yan hizmetler aracılığıyla sağlanır. DGP işlemleri günlük olarak, saatlik dilimde gerçekleştirilir ve DGP’ye katılan tüm piyasa katılımcıları emre amade kapasitelerini sunmak zorundadır. Bağımsız olarak 15 dk. içerisinde asgari 10 MW yük alabilen veya yük atabilen dengeleme birimleri DGP’ye katılmakla yükümlüdür [15].

2.6. Piyasa takas fiyatı belirleme yöntemi

Mevcut piyasada saatlik, blok ve esnek olmak üzere üç farklı teklif tipi vardır. Her teklif, en az bir fiyat-miktar ikilisinden oluşmaktadır. Fiyat-miktar ikilileri alış ya da satış olmak üzere iki farklı yönde verilebilir. Eğer verilen miktar negatif ise bu ikili satış yönünde, pozitif ise alış yönündedir. f ’nin Fiyat, m’nin miktarı temsil ettiği bir ikiliyi veren katılımcı, m miktarı almak/satmak için en fazla/az f birim fiyatı (₺ / MWh) verdiğini belirtir. Miktarlar lot biriminde verilir ve bir lot 0.1 MWh eşittir. Saatlik teklif veren bir katılımcı, teklifin geçerli olduğu periyotta piyasa takas fiyatı (PTF) minimum limitte ise, bu fiyat kırılımı için teklif ettiği satış miktarından (eğer varsa) daha az miktarda satış yapabileceğini, PTF maksimum limitte ise, bu fiyat kırılımı için teklif ettiği alış miktarından (eğer varsa) daha az miktarda alış yapabileceğini söyler.

Saatlik teklif, fiyat miktar ikililerinin verildiği bir küme olmasına rağmen, kırılım noktaları arasının doğrusal interpolasyon ile doldurulmasına izin verir. Bunun sonucunda parçalı doğrusal bir fonksiyon oluşur. Bir saatlik teklif için eşleşme miktarı da, bu parçalı doğrusal fonksiyon üzerinde PTF’ye karşılık gelen miktar olarak belirlenir[16].

3. SİMÜLATÖR TASARIMI

Elektrik piyasası simülatörü ile gerçek bir elektrik piyasasındaki gerçekleştirilebilen tüm işlemlerin yapılması hedeflenmiştir. Yeniden yapılanma sürecinin yaşandığı Türkiye elektrik piyasası ile ilgili lisans ve lisansüstü kapsamlı bilgi kaynağını artırmak, ayrıca piyasa yapısı içinde bulunan yeni katılımcılara katkı yaparak, Türkiye elektrik piyasasının karmaşık yapısı ve bu piyasadaki güncel değişiklikler hakkında bilgi sahibi olabilmesini sağlamaktır. Böylece katılımcılar, Türkiye elektrik piyasasını değişik perspektiflerden gözlemleme şansı bulacaktır. Geliştirilecek simülatör ile katılımcılar gerekli yatırım adımlarını atarak elektrik tedarikçisi olabilecek ve gerçek piyasa ile tamamen aynı olan elektrik ticareti işlemlerini yapabilmesi sağlanacaktır. Böylece herhangi bir risk almadan Türkiye elektrik piyasası ile ilgili ciddi bir deneyime sahip olabilecektir.

..……

Şekil. V. Sunucu/İstemci Mimarisi [17].

3.1. Piyasa Simülatörü Gerçek zamanlı kontrolü gerçekleştirmeyi sağlayacak düzeyde donanıma sahip bir adet sunucu bilgisayar masa üstü bilgisayar, akabinde entegre edilebilecek üçüncü parti analiz ve performans ölçücü programlar (Nesneye dayalı programlama tekniği kullanılarak yazılabilecek performans ölçücü programlar, C# vb. )

3.2. Simülatör Mimarisi

Piyasa simülatörü dört katmana ayıracak olunursa, en çok öneme sahip nokta piyasayla katılımcılar arasındaki bağlantı ve koordinasyondur. Bu yönüyle bakıldığında simülatörün iletişim yani sistemler arasında konuşmayı

İnternet Ağ Bağlantısı

Piyasa Yöneticisi

1.Kullanıcı 3.Kullanıcı 2.Kullanıcı n. Kullanıcı

Teklifler Teklifler Teklifler

920

sağlayan yapı olması sebebiyle çoklu kullanıcı sistemi multi-agent yapısını içerir. Piyasada bulunanlar piyasa operatörü tarafından yönetilir. İkinci katmanda ise; farklı sınıftaki kullanıcıların ve operatör sisteminin olduğu aşamadır.

Şekil. VI. Katmanlı Mimari Yapısı

3.3. Simülatör Temel Bileşenleri Simülatör tasarımını üç ana bileşene ayırabiliriz.

1) Kullanıcıların birebir etkileşimde olacağı “Microsoft. Net/Form” teknolojisinin kullanılacağı ara yüz.

2) Simülatörün omurgası niteliğinde olan akış diyagramı,

3) Girilecek teklif, kullanıcı bilgileri ve oluşan piyasa takas fiyatları gibi bilgilerin tutulması, işlenmesi ve güncellenmesi gibi manipüle işlemleri için ihtiyaç olan veri tabanı ve modellenmesi.

4. SİMÜLATÖR EKRANLARI

Simülatör interaktifliği sağlamak adına kullanıcılara sade ve kolay öğrenilebilir ekranları sunmaktadır. Kullanıcı bu ekranlar üzerinden yetki durumu gözetilerek kullanıcı tanımlar, teklif yapar ve senaryoların gerektirdiği biçimde aksiyon alabilir.

4.1.Giriş Ekranı

Kullanıcıyı karşılayan ilk ekran sisteme hoş geldin diye tabir edebileceğimiz “login” ekranıdır. Kullanıcının kullanıcı adı ve şifresi ile birlikte girişini yapabileceği “input”ları kabul eden iki “textbox”, kontrolü sağlayacak olan “Giriş “adlı buton ve program ile ilgili bilgileri getirecek olan hakkında “menustrip” bulunmaktadır.

Şekil. VII. Ön yüz http protokolünden erişilebilen kullanıcı giriş ekranı

921

4.2.Ana Sayfa

Kullanıcı ad ve şifre verisini doğru girmesi durumunda, başarılı “login” işleminden sonra ana ekran olarak tanımlanan ve içerisinde yönlendirmelerin bulunduğu ekran vardır. Ana ekran üzerinden “navige” edilebilen butonlar aracılığıyla kullanıcı üretici/tüketici olması durumuna göre GİP, GÖP, DGP ve yan hizmetler bölümüne entegre olabileceği ekranlara yönlenir.

Şekil. VIII. Birçok fonksiyona yönlendirme yapılan ana ekran

4.3.Gün Öncesi Piyasa Ekranı

Gün önce piyasa ekranında gün öncesi için teklif verildiği ekrandır. Kullanıcıların tüketici/üretici MWh bazında arz/talebin alındığı ekrandır. Normal ve blok tekliflerin taleplerini ayrı ayrı girilebildiği ekranda verilen tekliflerin durumlarıda izlenebilmektedir.

Şekil. IX. Gün öncesi piyasa ekranı

4.4.Gün İçi Piyasa Ekranı

Gün içi piyasa ekranı gün içinde kullanıcıların teklif vermesi için kullanılan ekrandır. Santral arızaları gibi doğabilecek dengesizlikleri minimuma indirebilme imkânı sağlar. Ek ticaret imkânı sağlayan, sürekli devam eden piyasayı destekleyen, teslimattan 90 dk. öncesine kadar teklif verilip ve verilen bu tekliflerin güncellenebilir olduğu ekrandır.

922

Şekil. X. Gün öncesi piyasa ekranı

5. SONUÇ Elektrik piyasası yapısı itibariyle birçok farklı disiplinden çalışan barındırmaktadır. Bu farklılık çalışanların almış oldukları lisans disiplinlerinden gelmektedir. Bu farklılıklar ortadan kaldırabilmesi bireylerin lisans ve lisansüstü düzeyinde alacağı eğitimdeki bazı dersler ile azaltılabilir.

Bu çalışmayla tasarlanan elektrik piyasası simülatörü ile gerçek bir elektrik piyasasındaki gerçekleştirilebilen tüm işlemlerin yapılması hedeflenmiştir. Böylece yeniden yapılanma sürecinin yaşandığı Türkiye Elektrik Piyasası ile ilgili lisans ve lisansüstü kapsamlı bilgi kaynağını artırmak, ayrıca piyasa yapısı içinde bulunan yeni katılımcılara katkı yaparak, Türkiye elektrik piyasasının karmaşık yapısı ve bu piyasadaki güncel değişiklikler hakkında bilgi sahibi olabilmesini sağlamaktır. Böylece katılımcılar, Türkiye elektrik piyasasını değişik perspektiflerden gözlemleme şansı bulacaktır. Geliştirilen simülatör ile katılımcılar gerekli yatırım adımlarını atarak elektrik tedarikçisi olabilecek ve gerçek piyasa ile tamamen aynı olan elektrik ticareti işlemlerini yapabilmesi sağlanacaktır. Böylece herhangi bir risk almadan Türkiye elektrik piyasası ile ilgili ciddi bir deneyime sahip olabilecektir.

Kullanıcıların IP bağlantısının alınabileceği şekilde global internet bağlantısına sahip olan bilgisayarlardan “login” ekranından kendilerine tahsis edilmiş kullanıcı ad ve şifreleriyle birlikte giriş yapmasının ardından karşısına gelen ana panelden piyasa ihtiyaçlarını karşılayacak temel ve ekstra özellikleri barındıran zengin ekranla karşılaşması amaçlanmıştır.

REFERANSLAR [1] Yıldız, S., Türkiye Elektrik Piyasası Kısa Dönemli Referans Fiyat Tahmini, İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji

Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2015.

[2] Toker, C. A., Korkmaz O., Türkiye kısa süreli elektrik talebinin saatlik olarak tahmin edilmesi, II. Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi, İzmir, 24-27 Kasım, 2011.

[3] Bölük,G.,Türkiye Elektrik Piyasasında Düzenleyici Reform ve Performans, Rekabet Ekonomisi ve Politikası Sempozyumu, Rekabet Ekonomisi ve Politikası Sempozyumu – III,Denizli,8-9 Ekim 2010.

[4] Heller,T. C.,Victor, D.G, A Political Economy Electric Power Market Restructuring:Introduction to Issues and Expectations, Working Paper,https://fsi-live.s3.us-west-1.amazonaws.com/s3fs-public/wp1%2C_1_May_04.pdf, Erişim Tarihi: 10.08.2018.

[5] Karakelle, İ,H.,Elektrik ve Telekominikasyon Sektörleri Bağlamında Özelleştirme ve Rekabet, Devletin Düzenleyici

Rolü, Editör:İzak Atiyas, Türkiye Ekonomik ve Sosyal Etüdler Vakfı, s.137, 2000.

[6] Doren, P.V.,The Regulation of The Electricity Industry, http://www.cato.org/pubs/pas/pa-320.pdf, Erişim Tarihi: 10.08.2018.

[7] Kölmek,F.,Türkiye Elektrik Piyasasında Fiyat Oluşumunun Analizi ve Fiyat Tahmin Modelleri, Hacettepe Üniversitesi

Sosyal Bilimler Enstitüsü, İktisat Anabilim Dalı, Doktora Tezi, Ankara,p.11,.2016. [8] Arslan, S., Elektrik Enerjisi Sektöründe Serbestleşme, Yeniden Yapılanma, Özelleştirme Uygulamaları ve Dünya

Örnekleri,Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu, Uzmanlık Tezi, s.172,Ankara, 2008

[9] Türkiye Elektrik Ticaret ve Taahhüt A.Ş. Genel Müdürlüğü, 2014 Yılı Sektör Raporu, Mayıs 2015.

923

[10] Ziel F., Steinert R., Husmann S., Forecasting day ahead electritricity spot prices:The impact of the EXAA to other European electricity markets. Energ. Econ., V.51, p.430-444, 2015. [11] Kölmek M.,A., Türkiye Elektrik Dengeleme ve Uzlaştırma Piyasasındaki Sistem Gün Öncesi Fiyatının Yapay Sinir

Ağları Kullanılarak Modellenmesi, Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Ankara , 2012.

[12] PMUM,Piyasa Mali Uzlaştırma Merkezi, https://slideplayer.biz.tr/slide/1951091/ , ErişimTarihi: 25.08.2018

[13] Bahadır, M., Ersoy, Ş., Rüzgâr Enerjisi Santralları Üretim Tahmininin Bilinmesinin Önemi, https://www.mgm.gov.tr/FILES/haberler/2010/rets-seminer/3_Mehmet_BAHADIR_RES.pdf, Erişim Tarihi: 20.08.2018

[14] Bicil M.I., Elektrik piyasasında fiyatlandırma ve Türkiye elektrik piyasasında fiyat tahmini,Doktora Tezi, Balıkesir Üniversitesi,Sosyal Bilimler Enstitüsü, İktisat Anabilim Dalı, Doktora Tezi,2015.

[15] EPİAŞ, Enerji Piyasaları İşletme A.Ş, https://www.epias.com.tr,Erişim Tarihi:21.05.2018

[16] EPİAŞ, Blok ve Esnek Teklifler Prosedürü, ,https://www.epias.com.tr. Erişim Tarihi: 20.07.2018 [17] Paravan D., Sajn A., Golob R., Teaching Trading Electricity with thte use of Electricity Market Simulator, IEEE

Bologna PowerTech Conference, Bologna, Italy June 23-26, 2003 .

924

Site Amplification of Two Strong-Motion Recording Stations in Italy: Gubbio-Piana (soft soil) and Forgaria Cornino (stiff soil)

M. Abdullah Sandıkkaya*1

1Department of Civil Engineering, Hacettepe University, Ankara, Turkey

Abstract One of the major tools to understand site amplification is employing ground-motion prediction equations (GMPEs). The site scaling and between-site residuals of these models can be used to compute the site amplification at strong-motion recording station. In this study, three ground-motion prediction equations (GMPEs) are generated. These models are correspond to global, regional and local features. The common point of these GMPEs is that each contains accelerometric data from Italy. Two stations with soft site and stiff site conditions are selected to study the site amplification behavior. The site amplification at T =0.2s and 1.0s are calculated with general amplification trends and between-site residuals. The behavior of the stations for each database are different indicating the regional variations in the database play an important role in the site amplification.

Keywords: Ground-motion prediction equations, site amplification, single-station sigma.

1. INTRODUCTION

The uncertainty of strong ground-motion is a hot topic in earthquake engineering and engineering seismology. One of the major tools to understand ground-motion behavior is employing ground-motion prediction equations (GMPEs). These models are generally generated with random-effects regression algorithm [1] that decomposes the variability into two components, between-event variability and within-event variability. After introducing single-station sigma concept [2, 3], the third type of the variability, between-site variability is added [4].

The non-reference site amplification method [5] enables to use the site term of these GMPEs to compute site amplification [5-7]. The between-site residual becomes important in these calculations because it shows the average bias in amplification from station to the general trend.

This study aims to understand how the database features affect the site amplification To do so, three databases are compiled. The common feature of these global, regional and local databases is that each includes strong-motion recordings from Italy. The site scaling and between-site residuals are computed by generating GMPEs. The median site amplification for two Italian strong-motions are calculated and compared.

2. DATABASE

Three strong-motion databases are compiled in the context of this study. The first database is a global database that is gathered under the project entitled “Next Generation Attenuation Relations for Western United States, NGA-West2” [8, 9]. This database is mainly composed of recordings from the US and Taiwan. A considerable number of records from Europe is also available. The second database is the RESORCE database [10] that is developed under SIGMA project (project.sigma.com). This regional database includes

* Corresponding author. Tel.: +90 312-780-5829. E-mail address: abdullahsandikkaya@hacettepe.edu.tr (M. Abdullah Sandıkkaya).

925

recordings from Europe (55% and 35% of the recordings are from Turkey and Italy, respectively). The third database is the local database distributed by Italian Accelerometric Archive [11].

Each database is composed of earthquakes shallower than 30 km. The moment magnitude (Mw) of normal, reverse and strike-slip events are between 4.5 and 7.9. Only stations with measured VS30 (time-based average of the shear-wave velocity profile of the upper most 30 m soil media) are used. The waveforms are recorded within 300 km. The distance metric used in this study is the closest distance to the surface projection of the ruptured fault, RJB. Fig. 1 shows the scatter plots of Mw-RJB distribution of each database. The blue and red points in this figure indicates the recordings from Forgaria Cornino (FRC) and Gubbio-Piana (GBP) stations respectively. The Gubbio-Piana station is located at the soft soil (VS30 = 244 m/s) and the site condition of the Forgaria Cornino station is stiff soil (VS30 = 420 m/s). Table 1 shows the number of the recordings from these stations in each database.

NGA-West2

RJB (km)

1 10 100

Mw

4

5

6

7

8

OthersFRCGBP

RESORCE

RJB (km)

1 10 100

Mw

4

5

6

7

8ITACA

RJB (km)

1 10 100

Mw

4

5

6

7

8

Fig. I. Mw-RJB scatter plots of each database

Table. I. Number of recordings of the selected stations in each database

NGA-West2 RESORCE ITACA

Forgaria Cornino 7 14 11

Gubbio-Piana 7 9 15

926

3. REGRESSIONS

The functional form used in the regressions is given in [Eq.1]. The natural logarithm of pseudo-spectral acceleration, PSA is modeled with a bi-linear quadratic function for magnitude scaling. The hinged magnitude is selected as 6.75. Normal to strike-slip ratio and reverse to strike-slip ratio are represented by the dummy variables. Both magnitude-dependent geometric spreading and anelastic attenuation terms are included in distance scaling. In order to model the site response linear site scaling with VS30 is used. The coefficients of regression, residuals that separated into between-event, between-site (Δ) and within-event residuals are computed with the random-effects algorithm [1]. These residuals are assumed to have normal distributions with between-event, between-site and within-event standard deviations, respectively [4].

(1)

Three GMPEs are generated with NGA-West2, RESORCE and ITACA data. The same functional form is applied in each case. I only consider spectral accelerations at T = 0.2 s and 1s. Because these periods are strongly related with the computation of the short- and long-period site factors [12] in seismic design codes (e.g., [13]). The residual analysis for each independent variables is then performed. The between-event and within-event residuals show no systematic bias for different Mw and RJB bins. Fig. 2 shows the between-event and within-event residuals for RESORCE GMPE at T = 0.2s. This shows the robustness of the predictive equations for magnitude and distance scaling. The between-site residual distributions of each database are plotted in Fig. 3 for T = 0.2 s and 1 s. These distributions suggest no trend in the site scaling of the model.

Mw

5 6 7 8

Betw

een-

even

t Res

idua

ls

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Mw

1 10 100

With

in-e

vent

Res

idua

ls

-2

-1

0

1

2

Fig. II. Between-event and within-event residual distributions at T = 0.2s for RESORCE GMPE

4. SITE AMPLIFICATION By employing the site scaling terms and between-site residuals, the site amplification of both stations (FRC and GBP) are computed [Eq.2]. The coefficient a9 represents the linear site response and Δ is the between-site residual. Table II and III show the site amplification computed for NGA-West2, RESORCE and ITACA models at T =0.2 s and T = 1.0 s, respectively.

𝑙𝑙𝑙𝑙(𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴) = 𝑎𝑎9ln �𝑉𝑉𝑆𝑆30

1550� + 𝛥𝛥 (2)

For FRC station, the estimates of the NGA-West2 and RESORCE GMPEs reveal that the similar amplification is observed at short periods and the local GMPE (ITACA) give approximately 15% higher amplification. In the case of GBP, each GMPE produces different levels of site amplification. The lowest amplification is obtained from the global GMPE (NGA-West2) and the highest one is from the ITACA GMPE. The similar observation is also valid for FRC station at long period. For GBP station at T = 1.0 s, the regional and local GMPEs give the same amplification which is lower than the estimates of the global model.

927

NGA-West2 -- T = 0.2s

VS30 (m/s)

100 1000

Betw

een-

site

resi

dual

s

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

NGA-West2 -- T = 1.0s

VS30 (m/s)

100 1000-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

RESORCE -- T = 0.2s

VS30 (m/s)

100 1000

Betw

een-

site

resi

dual

s

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

RESORCE -- T = 1.0s

VS30 (m/s)

100 1000-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

ITACA -- T = 0.2s

VS30 (m/s)

100 1000

Betw

een-

site

resi

dual

s

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

ITACA -- T = 1.0s

VS30 (m/s)

100 1000-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

Fig. III. Between-site residual distributions

Table. II. Site amplification computed at T = 0.2 s

NGA-West2 RESORCE ITACA

Forgaria Cornino 1.94 1.92 2.33

Gubbio-Piana 2.12 2.47 3.02

928

Table. III. Site amplification computed at T = 1.0 s

NGA-West2 RESORCE ITACA

Forgaria Cornino 1.18 1.31 1.41

Gubbio-Piana 4.0 3.81 3.81

5. CONCLUSIONS

In this study, the effect of database features especially the regional effects on site amplification for two Italian strong-motion recording stations is discussed. The generated GMPEs are used to compute site amplification estimates (both general trend and the bias observed are taken into account). This study shows that in the computation of site amplification, the regional composition of the database plays an important role. So, before discussing the site characterization the regional trends should be studied carefully. However, only periods and two stations are used in this study. In a future study, more periods and stations should be used to reach the same conclusion.

ACKNOWLEDGMENT

The grant provided by the Scientific and Technical Research Council of Turkey with Award No. 117M146 is greatly appreciated.

REFERENCES [1] Abrahamson, N.A., Youngs, R.R., A stable algorithm for regression analyses using the random effects model, Bull.

Seismol. Soc. Am. 82; 505-510, 1992. [2] Atkinson, G.M., Single-station sigma, Bull. Seismol. Soc. Am. 96; 446-455, 2006. [3] Rodriguez-Marek, A., Montalva, G.A., Cotton, F., Bonilla, F., Analysis of single-station standard deviation using the

KiK-net data, Bull. Seismol. Soc. Am. 101;1242-1258, 2011. [4] Al Atik, L., Abrahamson, N.A., Bommer, J.J., Scherbaum, F., Cotton, F., Kuehn, N., The variability of ground motion

prediction models and its components, Seismol Res Lett 81;783–793, 2010. [5] Stewart, J.P., Liu, A.H., Choi, Y., Amplification factors for spectral acceleration in tectonically active regions, Bull

Seismol Soc Am 93;332-352, 2003. [6] Sandıkkaya, M.A., Akkar, S., Bard, P.-Y., A nonlinear site amplification model for the new pan-European ground-

motion prediction equations, Bull Seismol Soc Am 103;19-32, 2013. [7] Sandıkkaya, M.A., Dinsever, L.D., A Site Amplification Model for Crustal Earthquakes, Geosciences 8;264, 2018. [8] Gregor, N., Abrahamson, N.A., Atkinson, G.M., Boore, D.M., Bozorgnia, Y., Campbell, K.W., Chiou. B.S.J., Idriss,

I.M., Kamai, R., Seyhan, E., Silva, W., Stewart, J.P., Youngs, R., Comparison of NGA-West2 GMPEs, Earthquake Spectra 30;1179-1197, 2014.

[9] Ancheta, T.D., Darragh, R.B., Stewart, J.P., Seyhan, E., Silva, W.J., Chiou, B.S.J., Wooddell, K.E., Graves, R.W., Kottke, A.R., Boore, D.M., vd., NGA-West2 Database, Earthq. Spectra 30;989–1005, 2014.

[10] Akkar, S., Sandikkaya, M.A., Senyurt ,M., Sisi, A.A., Ay, B.O., Traversa, P., Douglas, J., Cotton, F., Luzi, L., Hernandez, B., Godey, S., Reference database for seismic ground-motion in Europe (RESORCE), B. Earthq Eng 12;311-339, 2014.

[11] The ITACA website, (2018), (online), Available: http://www.itaca.mi.ingv.it/ [12] Borcherdt, R.D., Estimates of site-dependent response spectra for design (methodology and justification), Earthq

Spectra 10;617–653, 1994. [13] BSSC (Building Seismic Safety Council), NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Buildings and Other

Structures, Washington D.C., 2015.

929

A Theoretical Approach To The Chemical Properties Of The Active İngredients İn Basil (Occum Basillicum L.)

Faik Gökalp1*

1Kırıkkale University, Education Faculty, Department Of Mathematics and Science Education, Kırıkkale, Turkey

Abstract The ratio of essential oil to fungus ranges from % 3 to 1. Essential oil is obtained as a yellowish liquid with a yield of 0% 0.3-1, water vapor distillate, and its major components are; linalool, methyl kavichol, eugenol, limonene, cis-osmene, geraniol, citronellol, 1,8-cineole, terpineol acetate and camphor. Linalool was found at high ratios in studies on basil. Basil is used as a medicinal plant as a headache, bloating, digestion facilitator, stomach ailments, spasmolytic, diarrhea, fever, worm-reducing, cough suppressant, sputum and gas extractor, kidney disorders, stress reliever and urinary tract antiseptic. It is also used in pharmaceutical industry, food industry, canned foods and drinks, in the composition of various teas and has a protective feature against bacteria. Basil oil is used extensively in food industry, spices, perfumery and envy. DNA fragmentation analysis and cell cycle analysis revealed that Occimum inhibited the growth of HT-29 colon cancer cells by induction of possibly non-reproducible DNA damage and subsequent cell death. The molecular binding energy of 4flh (colon cancer) and linelool and limonene active components was investigated to determine the inhibitory effect by using docking.

Keywords: Occipal Basillicum L., linalol, limonene, docking

1. INTRODUCTION

The ratio of essential oil in the stomach varies between 3-1% [1]. Essential oil is obtained as a yellowish

liquid with a yield of 0.3-1.0%, water vapor distillate, and its major components are; linalool, methyl

kavichol, eugenol, limonene, cis-osmene, geraniol, citronellol, 1,8-cineole, terpineol acetate and camphor. In

the volatile oil of green leafy O. basilicum, cultured in Iran, methyl kavichol, geraniol, neral and

caryophyllene acid were detected [2]. In studies on basil, linalool was found in high ratios [3-6]. Basil is used as a medicinal plant as a headache, bloating, digestion facilitator, stomach ailments,

spasmolytic, diarrhea, fever, worm-reducing, cough suppressant, sputum and gas extractor, kidney disorders,

stress reliever and urinary tract antiseptic. It is also used in pharmaceutical industry, food industry, canned

foods and drinks, in the composition of various teas and has a protective feature against bacteria. Basil oil is

used extensively in food industry, spices, perfumery and enviroment [7]. DNA fragmentation analysis and cell cycle analysis revealed that EO inhibits the growth of HT-29 colon

cancer cells probably through induction of unrepairable DNA damage and subsequent cell death. [8]. The

molecular binding energy of linalool and limonen with 4flh (colon cancer) [9] is investigated to determine

the inhibition effect by using docking.

930

2.MATERYAL VE METOT

The mainly active compounds of Occum Basillicum L. linalool and limonen and The inhibition effects

were investigated from the active ingredients of basil (occum basillicum l.) by using docking [10] which is

very close to experimental studies, the molecular binding energy of 4flh, which has an effective role in

linalool and limonene. The chemical properties and the interaction of colon cancer with them was

investigated as theoretically.

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

The docking results of limonene with 4flh is given in Table 1.

Table. I. The docking results of limonene with 4flh

Limonen_to_4flh Est. Free Energy

of Binding

Est. Inhibition

Constant, Ki

vdW + Hbond + desolv

Energy

Electrostatic

Energy

Total Intermolec.

Energy

Frequency Interact.

Surface

-6.02 kcal/mol

38.89 uM -6.85 kcal/mol

-0.04

kcal/mol

-6.89 kcal/mol

100% 584.322

The docking results of linenalool_to_4flh is given in Table 2.

Table .II. The docking results of linenalool with 4flh

When we looked the docking results; the binding energy of limonene with 4flh is -6.02 kcal/mol and The

inhibition constant, Ki; 38.89 uM so the interaction of Limonene with 4flh is more than Linenalool with 4flh.

Limonene has the best inhibition effect on colon cancer (4flh).

The interaction of limonene with 4flh is given in Figure 1.

Linenalool_to_4flh Est. Free Energy

of Binding

Est. Inhibition

Constant, Ki

vdW + Hbond + desolv

Energy

Electrostatic

Energy

Total Intermolec.

Energy

Frequency Interact.

Surface

-4.75 kcal/mol

331.47 uM

-5.90 kcal/mol

-0.01kcal/mol

-5.91 kcal/mol

100% 523.757

931

Fig. I. The interaction of limonene with 4flh

The interaction of linenalool with 4flh is given in Figure 2.

Fig. II. The interaction of linenalool with 4flh

932

4.CONCLUSION

The results of the calculations show that Limonene have a good the inhibition effect on colon cancer. Thus, it

can easily react with the colon cancer line 4flh in this study. The inhibition effect of Limonene on 4flh is

higher than Linalool as the active compound of Occum Basillicum L.

ACKNOWLEDGMENT

This work was partially supported by BAP of Kırıkkale University,the number of project (BAP-2018/033 ).

REFERENCES [1] Akgul, A., Spice science and technology. Food technology publications. 15 Ankara. 451, 1993.

[2] Sajjadi, S., E., Analysis of the essential oils of two cultivated basil (Ocimum basilicum L.) from Iran. Daru, 14 (3), 128-129,2006.

[3] Akgül, A., Antioxidant properties of spices. Doga-TR. J. of Agriculture and Forestry, 13; 11-24, 1989.

[4] Özek, T., Beis, S. H., Demirçakmak, B., Başer, K.H.C., Composition of the Essential Oil of Ocimum basilicum L. Cultivated in Turkey. Journal of Essential Oils Research, 7, pp. 203-205, 1994.

[5] Rijaz, M., Shadab, Q. Chaudhary, F.M., Volatiles of Ocimum basilicum (Local) at different phases of plant growth. Pakistan Journal of Scientific-and-Industrial-of-the-Research. 1999, 42: 6, 332-335; Applied Chemistry Research Center, PCSIR Laboratories Complex, Lahore 54600, Pakistan, 1999.

[6] Lee, S., K. Umano, T. Shibamoto, K. Lee, Identification of volatile components in basil (Ocimum basilicum L.) and thyme leaves (Thymus vulgaris L.) and their antioxidant properties, Food Chemistry 91, 131-137, , 2005.

[7] Ermişler,A.,Comparison of the Repellent Characteristics of Herbaceous (Helichrysum Arenanium) and Basil (Ocımum Basilicum) Plants, M.Sc. Thesis, Konya, 2017.

[8] Bhagat, M.,Sangral,M., Arya,K., Rather,R.A., Chemical characterization, bioassay and molecular docking studies of essential oil for potential antimicrobial and anticancer activities, bioRxiv preprint first posted online Aug. 13, doi: http://dx.doi.org/10.1101/390906, 2018.

[9] Ragavan, R.V., Kumar, K.M., Vijayakumar, V. et al.,Keto esters from ketones and ethyl chloroformate: a rapid, general, efficient synthesis of pyrazolones and their antimicrobials, in silico and in vitro cytotoxicity studies. Org Med Chem Lett 3,6, 2191-2858, 2013.

[10] Bikadi, Z., Hazai, E. Application of the PM6 semi-empirical method to modeling proteins enhances docking accuracy of AutoDock J. Cheminf. 1, 15,2009.

933

The Effect Of The Active İngredients Of Coriander Spp. (Coriandrum Sativum L.) On The Colon Cancer

Faik Gökalp1*

*1Kırıkkale University,Education Faculty, Department Of Mathematics and Science Education, Kırıkkale, Turkey

Abstract Coriander (Coriandrum sativum L.) is a plant belonging to the family Apiaceae. It goes back to long times and today it is widely used as a medicine among the people. Traditionally, coriander has been used to treat gastrointestinal disorders such as anorexia, indigestion, stomach gas, diarrhea, pain and vomiting. The main components are linalool, especially monocyclic compounds such as pine, limonene, α-pinen, γ-terpinen , p-cymene-borneol, citronellol, camphor, geraniol acetate, geranyl, heterocyclic compounds such as pyrazine, pyridine, thiazole, furan, tetrahydrofuran derivatives, isocoumarines, dihydrochloridandrin, A-E chiorendron, flavonoids gnaflozite, gnaflozide B, quercetin, isorhamnetin, rutin, luteolin, phenolic acids and sterols are also found in essential oils as minor components. In a study conducted, it was determined that coriander had a protective role against colon cancer due to its effects on lipid metabolism. In the present study, the colon cancer target proteins were selected and obtained from 4FLH (colon cancer) from the Protein Data Bank (PDB). The molecular binding energy of 4LLH (colon cancer) and a-terpinene and gamma terpinene active components was investigated to determine the inhibitory effect using docking.

Keywords: Coriandrum sativum L., a-terpinen, gama terpinen,docking

1. INTRODUCTION

Coriander (Coriandrum sativum L.) is a plant belonging to the family Apiaceae. It goes back to long times

ago and is now widely used as medicine among people [1]. The main components are linalool, especially

monocyclic compounds such as pine, limonene, α-pinen, γ-terpinen [1], p-cymene-borneol, citronellol,

camphor, geraniol acetate, geranyl, heterocyclic compounds such as pyrazine, pyridine, thiazole, furan,

tetrahydrofuran derivatives, isocoumarines, dihydrochlorandrin, AE coriendron, flavonoids gnaflozite,

gnaflozide B, quercetin, isorhamnetin, rutin, luteolin, phenolic acids and sterols are also found in volatile oil

as minor components [2].Traditionally, coriander has been used to treat gastrointestinal diseases such as

anorexia, indigestion, stomach gas, diarrhea, pain and vomiting [3]. In a study conducted, it was found that

coriander had a protective role against colon cancer due to its effects on lipid metabolism [4,5].

Protein Data Bank (PDB). The PDB entry 1SVC (pancreatic cancer), 3B8Q (renal cancer) and 4FLH (colon

cancer) were selected for structural analysis based on their high-resolution crystallographic structure [6].

2.MATERYAL VE METOT

The mainly active compounds of Coriandrum sativum L. α-pinen and γ-terpinen. The inhibition effects

were investigated from the active ingredients of Coriandrum sativum L. by using docking [7] which is very

934

close to experimental studies, the molecular binding energy of 4flh, which has an effective role in α-pinen and

γ-terpinen. The chemical properties and the interaction of colon cancer with them was investigated as

theoretically.

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

The docking results of α-pinen with 4flh is given in Table 1.

Table. I. The docking results of α-pinen with 4flh

α-pinen _to_4flh

Est. Free Energy

of Binding

Est. Inhibition

Constant, Ki

vdW + Hbond + desolv

Energy

Electrostatic

Energy

Total Intermolec.

Energy

Frequency Interact.

Surface

-5.74 kcal/mol

62.54 uM -6.03 kcal/mol

-0.01

kcal/mol

-6.03 kcal/mol

100% 475.592

The docking results of γ-terpinen with 4flh is given in Table 2.

Table. II. The docking results of γ-terpinen with 4flh

When we looked the docking results; the binding energy of γ-terpinen _to_4flh is -5.79 kcal/mol and The

inhibition constant, Ki; 57.09 uM so the interaction of γ-terpinen with 4flh is more than α-pinen with 4flh. γ-

terpinen has the best inhibition effect on colon cancer (4flh).

The interaction of α-pinen with 4flh is given in Figure 1.

γ-terpinen _to_4flh Est. Free Energy

of Binding

Est. Inhibition

Constant, Ki

vdW + Hbond + desolv

Energy

Electrostatic

Energy

Total Intermolec.

Energy

Frequency Interact.

Surface

-5.79 kcal/mol

57.09 uM -5.79 kcal/mol

-0.00

kcal/mol

-5.79 kcal/mol

100% 450.931

935

Fig. I. The interaction of α-pinen with 4flh

The interaction of γ-terpinen with 4flh is given in Figure 2.

Fig. II. The interaction of γ-terpinen with 4flh

936

4. CONCLUSION

The results of the calculations show that γ-terpinen have a good the inhibition effect on colon cancer. Thus, it

can easily react with the colon cancer line 4flh in this study. The inhibition effect of γ-terpinen on 4flh is

higher than α-pinen as the active compound of Coriandrum sativum L.

ACKNOWLEDGMENT

This work was partially supported by BAP of Kırıkkale University,the number of project (BAP-2018/033 ).

REFERENCES [1] Deniz,E.U., Yeğenoğlu,S., Şahne,B.S., Özkan,A.M.G., A review on Coriander (Coriandrum sativum L.), Marmara

Pharm J.;22(1): 15-28, 2018.

[2] Momin, A.H., Acharya, S.S., Gajjar, A.V., Coriandrum sativum- Review of advances in phytopharmacology. Int J Pharm Sci Res.; 3(5):1233, 2012.

[3] Sahib, N.G., Anwar, F, Gilani, A.H., Hamid, A.A., Saari, N., Alkharfy, K.M., Coriander (Coriandrum sativum L.): A potential source of high‐value components for functional foods and nutraceuticals‐A review. Phytother Res.;27(10):1439-1456, 2013.

[4] Laribi, B., Kouk, K., M.Hamdi M, Bettaieb, T., Coriander (Coriandrum sativum L.) and its bioactive constituents. Fitoterapia.103:9-26, 2015.

[5] Chithra, V., Leelamma, S., Coriandrum sativum effect on lipid metabolism in 1, 2-dimethyl hydrazine induced colon cancer. J Ethnopharmacol.71(3):457-463, 2000.

[6] Ragavan, R.V.,Kumar,K.M., Vijayakumar,V., Sarveswari,S., Ramaiah,S., Anbarasu, A.,Karthikeyan1,S., Giridharan, P., Kumari,N.S., β-Keto esters from ketones and ethyl chloroformate: a rapid, general, efficient synthesis of pyrazolones and their antimicrobial, in silico and in vitro cytotoxicity studies, Organic and Medicinal Chemistry Letters, 3:6, 2013.

[7] Bikadi, Z., Hazai, E. Application of the PM6 semi-empirical method to modeling proteins enhances docking accuracy of AutoDock J. Cheminf. 1, 15,2009.

937

Numerical Investigation of the Starting Behaviour of H-Type Vertical Axis Wind Turbine with Different Airfoils

Y. Celik 1*, M. N. Kaya 1,2

1Department of Energy Mechanical Engineering, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom

2Department of Mechanical Engineering, Necmettin Erbakan University, Konya, Turkey

Abstract The present study employs Computational Fluid Dynamics (CFD) to evaluate the effect of various airfoil types on the starting behaviour of the three-bladed H-type vertical axis wind turbine (VAWT), particularly during their low tip speed ratios (TSRs). Numerical investigations are conducted on H-type VAWT using NACA0018, NACA0021, S1210 and SG6043 airfoil profiles to evaluate starting behaviour and their performances. Comparison of the analytical results using CFD has shown that symmetric airfoils are more suitable than asymmetric airfoils for self-starting. NACA0018 and NACA0021 airfoils are more efficient in terms of the starting behaviour and has more power coefficients than the cambered airfoils.

Keywords: Darrieus turbine, starting torque, CFD, ANSYS Fluent, airfoil types, wind energy.

1. INTRODUCTION

In the last few decades, energy usage has been increased with the increasing population of the world. As a result of human activities, such as the burning of fossil fuels, the greenhouse gases in the atmosphere increase and causes the climate change [1,2]. In this regard, changing the climate has become one of the most important problems and the most urgent environmental threats to the world. For this reason, demands for renewable energy sources have increased. Renewable energy offers our planet a chance to decrease carbon emissions, make the environment cleaner, and put our civilization on a more sustainable footing [1,2]. Renewable energy sources can be categorized as wind energy, solar energy, hydrogen energy, biomass and hydro [2]. Among several green and renewable energy sources, wind energy has seen a rapid growth worldwide and will play an increasingly key role in the future economy.

The wind is a natural resource and can be used as an alternative energy. In order to use the potential of the wind, wind turbines are generally employed. There are mainly two types of wind turbines, namely horizontal axis wind turbines (HAWTs) and vertical axis wind turbines (VAWTs). In addition, VAWTs have two different types. One is the Savonius rotor, which is a drag-based turbine, and the second is the Darrieus model, which is a lift-based turbine. The Darrieus wind turbines are divided into two groups due to their shapes, such as eggbeater and H-type turbine, which is also known as straight bladed vertical axis (SB-VAWT) [3]. In these days, HAWTs have dominated the wind energy market due to their large size and high power generation capacity [4]. VAWTs have been emphasized (e.g. [5], [6]) such as being more suitable for urban environmental applications than the more commonly adopted HAWTs due to several major advantages such as affordable maintenance cost, simple blade shape, omni-directional work capability and low noise [3].

* Corresponding author. Tel.: +44 7474 609090 E-mail address: ycelik1@sheffield.ac.uk . (Y. Celik)

938

Even though VAWTs suffer from low efficiency compared with the conventional turbines, namely HAWTs, one of the most challenging aspects of employing these kinds of small turbines is to make them more efficient and able to self-start in complex low-wind urban conditions. The term ‘turbine self–starting’ can be defined as the turbine’s ability to reach the condition in which it can extract optimal power without using any external forces and this start-up period is the period that the turbine takes to reach that condition from rest [7]. In the condition of complex low-wind speed, the performance of the VAWTs is generally limited and not satisfied due to them failing to accelerate to the point that the power is extracted. However, if external power sources are used to start-up the turbine, it brings extra complexity [8].

The aim of present work is to focus on the starting behaviour of H-type VAWT with three different airfoils such as NACA0018, S1210 and SG6043. In order to assess whether a turbine has self-starting capability, we have focused on power coefficient band between tip speed ratios ranging from 0.5 to 1.5.

2. NUMERICAL ANALYSES AND VALIDATION

2.1. Computational Fluid Dynamics

There are three ways to examine any fluid flow, namely theoretical, experimental and numerical methods. The Computational Fluid Dynamics, which is based on the Navier-Stokes equations, and belongs to the numerical methods of solving the fluid flow [17]. The Navier-Stokes equations are the governing equations of fluid dynamics. They are essentially based on the concepts of conservation of mass, energy and momentum [3]. CFD promises several advantages, such as a far lower cost compared to the experimental investigations. However, in this case, the most important aspect is the fast speed of obtaining results. In addition to this, the visualization tools in the software help us to understand the underlying physics of the problem. Like other types of models, CFD has some limitations, in particular the CPU time for the computations, and it requires much computational power [3].

2.2. CFD Model Description

A 2-D CFD model has been employed to represent the H-type VAWT since the literature [5, 9, 10, 11] has illustrated that a two-dimensional CFD model is able to reveal the most important factors that might affect the overall performance of the turbine and the flow physics. Apart from the 2-D effects, there are 3-D effects, such as the blade tip losses and the blade struts that might be significant but they have been considered to be of secondary importance in this study.

For the validation study, three NACA0021 airfoils have been employed. The characteristic of the tested model are listed in Table I. Two symmetry boundary condition were applied at the top and bottom sides of the domain in order to neglect the solid blockage effects [12] while a velocity inlet and a pressure outlet are used for the test section inlet and outlet respectively, and the blade surfaces were regarded as the no-slip wall boundaries, see Figure I. Based on the parametric studies detailed in the following sections, near the blade and the entire mesh surrounding the blades, including the extent of the boundaries, were defined.

Table I. Main Geometrical features for validation study

Rotor Diameter 1.03m

Height of the turbine 1.4564m

Number of blade 3

Blade profile

Chord

Spoke-blade connection

NACA0021

0.0858M

0.5c

939

Fig. 1. Schematic of the 2-D CFD simulation domain and mesh strategy

A 2nd-order interpolation scheme for the pressure was used along with a 2nd-order upwind discretization scheme for all the other variables. The Green-Gauss Node Based approach [13] was used to compute the gradients required for the discretization of the convective and diffusive fluxes. In order to reduce the computation time, each simulation was run for five complete revolutions of the rotor, which was founded to be sufficient so that the average torque coefficient deviation was less than 3% between the fourth and fifth revolution. A summary of the parameters used for the setting up of the 2-D SB-VAWT in this study is shown in Table II.

Table II. Summary of the parameters in the setting up of the 2-D CFD SB-VAWT.

2.3. Independency Studies

Independency studies were performed in order to yield a precise model, which is used to make a comparison between the present results and the experimental data. It includes mesh independency and time-step independency studies.

2.3.1. Mesh Independency Study

The number of mesh elements is very important in obtaining accurate results. In order to reduce the errors caused by a poor mesh quality, a comprehensive study was conducted in which a range of values for the number of mesh elements was employed.

Software Fluent 16.1

Number of cells 257,000

Turbulence model Enhanced wall treatment k-ε Realizable

Solution scheme

Pressure interpolation

Number of time step

SIMPLE

Second order upwind

540

940

There are mainly two kind of elements used in the 2D analyses in ANSYS, namely triangular and quadrilateral [14]. In this thesis, triangular mesh is chosen for both stationary domain and rotating domain in order to reduce engineering time to prepare the CFD simulations.

Each complete domain was meshed by an unstructured mesh and three discretisations were considered, namely with approximately 114,000, 257,000 and 475,000 elements and the mesh was properly clustered in the vicinity of the leading and trailing edges where high gradients in the pressure and flow were expected. For mesh independency study, TSR=2.5, Enhanced wall treatment k-ε Realizable and 540 time step have been used for each simulation in order to compare average torque coefficient for each mesh element number. Figure 2 shows that at TSR=2.5 and θ=80˚ there was a negligible difference obtained between the 275,000 and 475,000 mesh element numbers.

Fig. 2. Average blade torque as a function of the azimuthal angle for three different mesh element numbers, 113,000,

257,000 and 457,000 for the present study at TSR=2.5

Comparing the effects of the mesh element number based on the average torque attained, the 113,000 mesh element number attained average torque=1.9563 N.m at TSR=2.5 followed by the 257,000 mesh element number with an average torque=2.0041 N.m and 475,000 mesh element number with an average torque=1.9933 N.m. The results clearly illustrate that the tests for larger mesh element numbers (275,000 and 475,000) show a difference less than 0.5%. Therefore, the mesh element number employed in the remainder of this investigation was 275.000-mesh element number in order to save computational time during the simulations.

In the simulations, the first cell height was less than 0.0001c in order to ensure a y-plus value lower than 1, which is the value recommended in the turbulence model that was chosen for the time step independency study [14]. Further, a 1.2-growth rate was applied to the mesh inflation around the blade in order to ensure a sufficient boundary layer modelling with 12 layers within the boundary layer. Further, a smoothing algorithm in the meshing software was used to reduce the angle in the skewness of the cells such that the maximum was observed to be approximately 0.7. The summary of the mesh quality values and mesh images of CFD model including near blade unstructured mesh, zoom-in near the blade trailing edge and unstructured inner rotating mesh have been presented in Table III and Figure 3, respectively.

Table III. Summary of the values of the mesh quality parameters in the size of the mesh for the present study.

Blade surface y-plus <1

Cell skewness <0.7

Growth rate around blade 1.2

941

Fig. 3. Mesh images of the CFD model: (a) near blade unstructured mesh, (b) zoom-in near blade trailing edge, and (c)

unstructured inner rotating domain.

2.3.2. Time Step Independency Study

In order to ensure an appropriate unsteady time dependent simulation of the VAWTs, sufficient temporal resolution is required. Since the turbine rotates about an axis then the choice of different time steps are equivalent to specific rotational displacements along the azimuthal angle. In this study, three different time step sizes have been investigated, with the lowest time step size being 0.0007989s and then this was multiplied by factors of 2, 3 and 4. Therefore, the corresponding number of time steps for one revolution were 180, 360, 540 and 720, respectively.

The time step independency studies were conducted under TSR=2.5, 257,000-mesh element number and Enhanced wall treatment k-ε Realizable turbulence model conditions. Figure 4 illustrates the blade torque as a function of the azimuthal angle for four different time steps. It is observed when using a that for 2.5 TSR, there was a negligible variation for the 360, 540 and 720 time steps when the azimuthal angle is less than approximately 200˚, and the maximum torque was predicted to be approximately θ=90˚

Fig. 4. Blade torque as a function of the azimuthal angle for 4 time-steps, 180, 360, 540 and 750 at a 2.5 tip speed ratio for

the present study TSR =2.5

942

With regard to the averaged torque, the corresponding results for the 0.0007989, 0.0015978, 0.0023967 and 0.0031956 time step sizes are 2.0041, 1.9661, 1.9515 and 1.9449, respectively. Since a sufficiently small time resolution was required for accurate simulations in this study without increasing the computational time and as well as avoiding convergence problems with the use of the lower number of time step, namely 540 time steps, corresponding to a 0.0023967 time step size, was chosen and will be adopted for all the modelling results presented in this study.

2.3.3. 2-D model Validation and Turbulence Model Selection and Discussion

In order to validate the CFD model developed in this study, the results were compared with the experimental and CFD results obtained by Castelli [15]. According to the experimental study, the connection point of the blade to the strut was set at 0.5c. It should be noted that since the CFD model is 2-D then the validation may not be fully achieved but a good 2-D CFD model will provide significant insight into the factors driving the performance of the VAWT. The main concern about the validation process is to obtain the trend of the turbine power coefficient as a function of the tip speed ratio in order to compare my results with experimental and numerical study from the selected paper for validation and to yield a price model for future investigations.

The Enhanced wall treatment k-ε Realizable turbulence model and the Transition SST turbulence model have been selected in order to compare the CFD results obtained in this study with the experimental measurements from Castelli [15].

The power coefficient Cp at a range of tip speed ratios was examined by using the Enhanced wall treatment k-ε Realizable and the transition SST turbulence models. As can be seen from the Figure 5, even the Enhanced Realizable k-ε model over predicts the power coefficient for the whole range of tip speed ratios, with a maximum Cp=0.39 being predicted at a tip speed ratio of 2.65. However, the model is able to replicate the shape of the experimental curve. This difference between the CFD model prediction and the experimental data may be due to the fact that the 2-D model does not take any 3-D effects into consideration, and this would result in an over-prediction of the turbine performance as observed in the literature. In contrast, the transition SST model provides a closer match for tip speed ratios less than 2.5. After this value of the tip speed ratio, the power coefficient still continues to increase and this may be due to the number of mesh elements which has been used in the simulation.

Fig. 5. The power coefficient as a function of the tip speed ratio for the Castelli experimental and the CFD study using

Enhanced wall treatment k-ε Realizable, the current Enhanced wall treatment k-ε Realizable and the current transition SST models.

As a result of the validation study, the Enhanced wall treatment Realizable k-ε model results employed in this study provides a close match to the experimental than does the CFD simulation of Castelli et al. [15] with a k-ε turbulence model. The Enhanced wall treatment k-ε Realizable model can be selected for this validation study, which has proved to be a good opportunity to evaluate different airfoil types in this study.

943

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

In order to verify the reliability of the computational method, validation study has been performed by using NACA0021 airfoil and the results have been compared with the experimental study from Castelli et al. [15] in the previous section. In this part of the study, different airfoils will be investigated in order to evaluate the effect of airfoils on the starting behaviour of the turbine. For this purpose, the main geometrical features, which are shown in Table IV, are tested.

These simulations were performed using a constant wind speed of 6m/s, at tip speed ratios from TSR=0.5 to 4. The quantities found by calculations have been combined in order to obtain the performance parameters of the turbine, which are commonly known as the power coefficient and tip speed ratio (TSR). Figure 6 shows the power coefficients of the turbines with respect to the TSR. As can be seen from the Figure 6, there are a pick value for each curve and the power coefficient increases with the TSR up to a certain point after which it drops as further TSR increases.

Table IV. Main Geometrical features of the tested models.

Traditional symmetric airfoils such as NACA0018, NACA0021 and asymmetric airfoils such as S1210, SG6043 have been used in this study. The obtained results have shown that NACA0018 and NACA0021 have higher performance and self-starting capability over the whole range of the TSRs compared with the asymmetric airfoils. The NACA0021 and NACA0018 reveal a very similar turbine performance over the entire working range. The NACA0021 demonstrates a slightly higher Cp compared with NACA0018 when TSR<2.5. In contrast, at higher tip speed ratios the NACA0018 shows better turbine performance than the NACA0021. This difference might be due to the larger drag force that results from the larger thickness of the NACA0021. Addition to this, in comparison with the S1210 and SG6043, very similar starting behaviour can be observed at the range of the TSR=0.5 and 1.5. However, even S1210 has higher power coefficient at the 2.75 TSR compared to SG6043 airfoil profile, the predicted maximum power coefficients of these airfoils are significantly lower than symmetric airfoils.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Pow

er C

oeffi

cien

t

TSR

NACA0018 S1210 SG6043 NACA0021

Fig. 6. Power coefficient versus TSR for different airfoil profiles

Rotor Diameter 0.75m

Height of the turbine 1 m

Number of blade 3

Blade profiles

Chord

Spoke-blade connection

NACA0018, NACA0021, S1210 and SG6043

0.0858m

0.5c

944

The main issue with the self-starting is that most of the airfoil sections generate minimum or negative torque for the lower tip speed ratios [16]. As can be seen from the results, these four different airfoil profiles all show positive Cp values at low tip speed ratio demonstrating that the turbine is able to self-start. As Figure 7 shows that, the cambered airfoils do not seem to bring any benefits due to both their low Cp values at low TSRs and lower pick Cp values compared with the NACA0018 and NACA0021.

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35Po

wer

Coe

ffici

ent

TSR

NACA0018 S1210 SG6043 NACA0021

Fig. 7. Power coefficient versus TSR for different airfoil profiles with enlarged view at low TSR range

4. CONCLUSION

Selection of the airfoil is crucial for the better aerodynamic performance and start-up behaviour of the H-type VAWTs. In this study, an attempt has been made in order to evaluate starting behaviour of the H-type VAWT depending on the airfoil profiles. Four airfoil profiles have been investigated in terms of power coefficient at low TSRs. Among these airfoils, NACA0018 and NACA0021 has been found to be the best starting behaviour and power coefficient. The cambered airfoils do not show any benefit at low TSRs and the turbine maximum power coefficients are significantly lower.

5. REFERENCES [1] Kose, F., & Kaya, M. N.. Analysis on meeting the electric energy demand of an active plant with a wind-hydro

hybrid power station in Konya, Turkey: Konya water treatment plant. Renewable energy, 55, 196-201, 2013.

[2] Kaya, M. N., Aksoy, M. H., & Kose, F., Renewable Energy In Turkey: Potential, Current Status And Future Aspects. Annals of the Faculty of Engineering Hunedoara-International Journal of Engineering, 15(1), 2017.

[3] K. M. Almohammadi, “Optimization of a CFD Based Design of a Straight blade Vertical Axis Wind Turbine (SB-VAWT),” The University of Leeds, PhD thesis, 2014.

[4] M. H. Mohamed, “Performance investigation of H-rotor Darrieus turbine with new airfoil shapes,” Energy, vol. 47, no. 1, pp. 522–530, 2012.

[5] J. M. Edwards, L. Angelo Danao, and R. J. Howell, “Novel Experimental Power Curve Determination and Computational Methods for the Performance Analysis of Vertical Axis Wind Turbines,” J. Sol. Energy Eng., vol. 134, no. 3, p. 31008, 2012.

[6] T. Bertényi, C. Wickins, and S. McIntosh, “Enhanced Energy Capture Through Gust-Tracking in the Urban Wind Environment,” 48th AIAA Aerosp. Sci. Meet. Incl. New Horizons Forum Aerosp. Expo., no. January, p. 20191, 2010.

[7] Worasinchai, S., “Small Wind Turbine Starting Behaviour,” Durham Univ. - PhD Thesis, p. 115, 2012.

[8] R. Bos, “Self-starting of a small urban Darrieus rotor. Strategies to boost performance in low-reynolds-number flows.,” Delft University of Technology, Master of Science Thesis, 2012.

[9] Howell, R., Qin, N., Edwards, J., & Durrani, N. (2010). Wind tunnel and numerical study of a small vertical axis wind turbine. Renewable energy, 35(2), 412-422.

[10] Amet, E., Maitre, T., Pellone, C., & Achard, J. L. (2009). 2D numerical simulations of blade-vortex interaction in a Darrieus turbine. Journal of fluids engineering, 131(11), 111103.

[11] McLaren, K., Tullis, S., & Ziada, S. (2012). Computational fluid dynamics simulation of the aerodynamics of a

945

high solidity, small‐scale vertical axis wind turbine. Wind Energy, 15(3), 349-361.

[12] Nobile, R., Vahdati, M., Barlow, J. F., & Mewburn-Crook, A. (2014). Unsteady flow simulation of a vertical axis augmented wind turbine: A two-dimensional study. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 125, 168-179.

[13] Longhuan, D. S. Start-up, “Numerical and Experimental Investigations of Darrieus Wind Turbine Start-up and Operation,” Durham Univ. - PhD Thesis 2016.

[14] ANSYS FLUENT User’s Guide, Release 14.0, 2011. Ansys Inc.

[15] Castelli, M. R., Englaro, A., & Benini, E. (2011). The Darrieus wind turbine: Proposal for a new performance prediction model based on CFD. Energy, 36(8), 4919-4934.

[16] B. K. Kirke, “Evaluation of Self-Starting Vertical Axis Wind` Turbines for Stand-Alone Appllications,” Griffith University, Australia, PhD Thesis, 1998.

[17] Kaya, M. N., Kose, F., Ingham, D., Ma, L., & Pourkashanian, M., Aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine with forward and backward swept blades. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 176, 166-173, 2018.

946

Vertical Axis Wind Turbines for Turkey: Overview to Application Opportunities

M. N. Kaya 1,2, Y. Celik 1*

1Department of Energy Mechanical Engineering, University of Sheffield, Sheffield, United Kingdom

2Department of Mechanical Engineering, Necmettin Erbakan University, Konya, Turkey

Abstract Renewable energy sources are clean, efficient and unlimited, and considering the negative effects of fossil fuels on energy supply, it is an important part of the energy policies of many countries to use renewable energy as much as possible. Wind energy, one of the most applied renewable energy sources, has become one of the main sources of power supply in many countries all over the world. Nearly all of the wind turbines applied are horizontal axis wind turbines (HAWTs), however, latest technology improvements lightened the usage of vertical axis wind turbines (VAWTs). This study compares horizontal and vertical axis wind turbines in terms of advantages and disadvantages. Turkey, the country that has ambitious goals on wind energy usage, is selected to investigate the application areas of VAWTs and a short overview is performed about the opportunities. Results show that there are great opportunities to apply VAWTs in Turkey in various applications.

.Keywords: VAWT, Turkey, application, wind, turbine

1. INTRODUCTION

Renewables, in other words unlimited clean energy sources, are very popular today since people have realized the negative effects of fossil fuels [1, 2, 3]. Wind energy is one of the renewable energy sources that is used to generate electricity all over the world. Today, there is nearly 52 GW of capacity wind power is installed on our planet [4, 5]. Considering the replacement of fossil fuels in terms of energy production, increase in wind energy usage revives the hopes for a sustainable energy supply in the future. Nearly all of the installed wind power plants consist of horizontal axis wind turbines (HAWTs) in Turkey as well as in the world [1, 6, 7]. However, the recent improvement on Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) pointed researchers to investigate the VAWTs in terms of pros and cons and application opportunities. There have been numerous studies about VAWTs in the literature. Erikson and his colleagues performed a study on evaluation of different turbine concepts for wind power and concluded that VAWTs are advantageous to HAWTs in several aspects [8]. Furthermore, Kumar et al. [16] reviewed vertical axis wind turbines for urban application and compared their advantages with traditional wind turbines. They have concluded that the acceptance of the VAWTs usage will reduce the cost and more people will be aware of the scope of these turbines to reduce their energy bills and carbon footprint. Besides the financial aspect, this kind of turbines have aerodynamic advantages over HAWTs. VAWTs are suitable to work at low tip speed ratios, which results in lower aerodynamic noise compared to HAWTs [17].

In this study, VAWTs were compared with HAWTs in terms of advantages and disadvantages. In addition, an overview of usage possibilities was performed for Turkey.

* Corresponding author. Tel.: +44 7474 609090

E-mail address: ycelik1@sheffield.ac.uk .( Y. Celik)

947

2. VERTICAL AXIS WIND TURBINES (VAWT)

Wind turbines can be classified into drag-type and lift-type machines. Lift-type machines are again divided into two parts, as HAWTs and VAWTs. The most well-known lift-driven VAWT is the Darrieus machine, which is named after the French aeronautical engineer Georges Jean Marie Darrieus (1888-1979). He patented the design in 1931, (see Figure 1 (a) and (b)) [13]. This wind turbine consists of a set of vertically oriented airfoils connected to a rotating shaft and is characterised by its C-shape and H-shape rotor blades. They are normally built with two or three blades and according to experimental result [14], lift-driven Darrieus machines can produce a maximum power coefficient of about 0.4 so far.

Fig. 1. (a) and (b) Schematic of lift-driven Darrieus wind turbines, and (c) Drag-driven Savonius VAWT [18]

2.1. Advantages and Disadvantages of VAWTs over HAWTs

At present, HAWTs are commonly used and due to their high power coefficient compared to VAWTs, this configuration nowadays dominates the field of large-scale wind power generation both on land and in the sea. Nevertheless, the disadvantages of HAWTs include the requirement of a yaw mechanism to turn the rotor towards the wind, poor performance in urban regions where the flow is highly unsteady and difficult maintenance. VAWTs have some crucial advantages over HAWTs. The axis of rotation of VAWTs are perpendicular to the wind direction, and they can receive the wind from any direction. This characteristic of them can eliminate the complicated yaw control mechanism that occurs in HAWTs. In addition, VAWTs generate lower noise and blade load compared to HAWTs. However, being not able to self-start is an important problem of VAWTs, but there are researches being performed on this issue. It has not been proven beyond doubt that HAWTs are better than VAWTs in terms of maximum performance when compared on the same scale. However, with the inherent advantages that the VAWTs have over the HAWTs, the research interests on VAWTs have been increasing in recent times. As a summary, the advantages of the three-bladed SB-VAWT over the more established HAWT, especially when used in the built environment, are as follows:

• VAWTs do not need a complex yaw mechanism since they rotate in a plane parallel to the wind direction and the blades are attached to the rotor at equally spaced angles of 120˚ for the three-bladed machines [19].

• Optimal blades for VAWTs are simple in design, being an airfoil of constant shape along its span without any twist or taper. This simplicity makes the blades relatively easy to manufacture by fabrication [20].

• Aerodynamic noise from the VAWTs is lower than HAWTs due to the lower tip speed ratio. HAWTs can achieve their maximum power at higher tip speed ratios and so produce a loud noise. As the number of wind turbine numbers increases, the noise level is emerging as one of the main objections to onshore wind farms and so this aspect is very important [17].

• Compared to the HAWTs, according to the studies [21, 22], the VAWTs can be installed closer to each other, so that the power density per square meter can be considerably higher than for the configurations used presently.

• Under the complex urban wind conditions, VAWTs can achieve a better performance. In this urban wind environment, the wind speed is low and unsteady with high levels of turbulence [23]. This makes the VAWTs more suitable in regions where tall devices are prohibited by the planning permission and law.

VAWTs also present some disadvantages when compared with HAWTs:

• Because of the changing azimuthal angle and angle of attack, the flow around the turbine is highly unsteady. The turbine blades will experience all possible angles of attack during the operation and so this makes the aerodynamic predictions more complex, which are already not fully understood [20].

948

• Generally, the tower of the VAWTs is shorter than that of the HAWTs tower. This results in them being less accessible to the higher wind speeds that occur at higher altitudes. Therefore, for the same rotor size and weight, the power output of the VAWTs is less than that of the HAWTs.

• Darrieus VAWTs may fail to self-start even under no-load conditions, depending on the types of airfoils used, the upstream wind speed and turbine solidity. On the other hand, the HAWTs are able to self-start under no-load conditions [17].

It is postulated that with careful research and by using an optimised airfoil section, the main problems and some of the disadvantages of the VAWTs can be solved.

In order to compare power production performances of VAWTs and HAWTs, Fig. 2 is presented to compare typical HAWTs and VAWTs [8]. The H-rotor is the British VAWT 260, which is a 100 kW, two-bladed turbine [9], and the Darrieus turbine is the Sandia-34, a 500 kW turbine, developed and tested by Sandia National Laboratories [10]. The HAWT is designed by the National Renewable Energy Laboratory in the USA and it is claimed that it represents a typical HAWT [11]. According to the Fig. 2, VAWTs have almost as good efficiency as the HAWT. The Darrieus turbines show lowest performance, however, Paraschivoiu claims that the gap between the performance of the HAWT and the Darrieus can be closed by using airfoils that reduce drag [8,12].

Fig. 2. Comparison of aerodynamic performances of typical HAWTs and VAWTs [8]

3. WIND ENERGY POTENTIAL of TURKEY

Electrical Power Resources and Development Administration present the wind energy potential atlas (REPA) to determine the wind energy potential of Turkey and it is presented in Fig.3 [1, 2, 3]. As seen from the figure, there are many regions all over the Turkey, especially in west parts, where the average wind speed is over 7 m/s at 50 m height.

Fig. 3. Wind energy potential atlas of Turkey [3]

949

Considering the recent improvements in wind power technology, it is feasible to install wind power in the areas where the wind velocity is greater than 6.5 m/s [2]. Therefore, there is nearly 131 GW wind power potential in Turkey. Considering the regions where the average wind velocity is greater than 7 m/s at an elevation of 50 m, there can be 130 billion kWh of electricity from a potential of 48,000 MW generated as given in Table II [1, 4, 5].

Table II. Wind energy potential of Turkey [1,4,5]

Level of the wind

Classification of the wind

Wind power intensity at 50m high (W/m2)

Wind speed at 50 m high

(m/s)

Total area

(km2)

Ratio of the area

Total power potential

(MW)

Average 3 300-400 6.5-7 16,781.39 2.27 83,906 Good 4 400-500 7-7.5 5,851.87 0.79 29,259.36

Very good 5 500-600 7.5-8 2,598.86 0.35 12,994,32 Awesome 6 600-800 8-9 1,079.98 0.15 5,399.92 Incredible 7 >800 >9 39.17 0.01 195.84

Total 26.351,28 3.57 131,756.40

If the average wind energy potential is taken also into account, there is total 131,756.40 MW potential in Turkey where the total area of this potential corresponds to 3.57% of Turkey.

Total installed capacity has reached 6 GW in Turkey by the end of 2017 and nearly 14,543 GWh electricity is produced from about 120 wind power plants in this year [1, 4, 5, 6]. The total installed power is only 5% of the potential. The total installed wind power capacities and their change is given in Fig. 4 [7]. As it can be observed from the figure, each year the installed capacities increase sharply. The Turkish government has ambitious targets for the year 2023 in terms of installed renewable energy capacity and the government encourages the investors with incentives [1]. Therefore, there is a big opportunity to invest in wind power in Turkey, as it can be seen in the given figure.

Fig. 4. Change of total installed wind power capacity in Turkey [7]

4. POSSIBLE APPLICATION AREAS OF VAWT IN TURKEY

Recently, vertical axis wind turbines (VAWTs) have been gaining popularity due to the increasing interest in green energy solutions. VAWTs target individual homes, small businesses, farms as a way of providing local, personal wind energy and offshore applications. Generally, VAWTs can be used to cover the energy demand of irrigation pumps, hotels, universities and industrial zones in Turkey. In addition, they can be used to supply electricity to villages and towns.

950

4.1. Irrigation Pumps Especially, in the middle parts of Turkey where are huge agricultural areas, for instance around the city of Konya, there are small towns where the economy relies mostly on agriculture and stockbreeding. In these regions, irrigation is supplied through submerged irrigation pumps that have input powers changing between 45 kW and 110 kW. Irrigation pumps have huge energy demand and some regions have annually over 6000 MWh power consumption [15]. Farmers are keen to cover this power consumption from wind power and it was previously found that it is generally feasible even in low-rated wind speed regions [2,15]. Some advantages of VAWTs such as having easier transportation, low noise, easier installation and maintenance makes it more logical to install VAWTs instead of HAWTs.

4.2. Hotels

As known, Turkey is one of the most visited countries especially in the summer months, and hotels have huge energy consumption each year. This demand can be covered by wind power. In order to use this potential of the wind power for the hotel applications, several important factors must be taken into accounts, such as; the hotel property must have good wind resources, enough space is required around the hotel, preferably, the hotel must be comfortable with long-term investments. HAWTs are mostly very noisy and it is more logical to install VAWTs to have both comfortable silent space and renewable energy supply. Hotels can decide to install VAWTs and supply the energy demand, in addition, the excess energy can be sold to the grid to make some profit. This is possible in Turkey considering the laws about power supply through renewable energy sources.

4.3. Industrial Zones and Universities

Turkey has many organized industrial zones and each of them has huge energy consumptions. Installing some VAWTs near industrial zones can always be an advantage for the companies in terms of cheap energy supply. The high noise of HAWTs compered to VAWTs makes it possible to install VAWTs closer to universities, which are keen to install renewable energy systems. It is popular for universities to supply all the energy demand from renewables and to be called namely “green university” to be an example for other institutions.

4.4. General Electricity Supply

As stated before, Turkey uses only a small part of its wind power potential and the Turkish government has important support mechanisms to double or triple the installed wind power capacity in the near future. Hence, this opportunity can be used to install wind power systems to supply electricity to small towns or cities. The advantages of VAWTs over HAWTs makes it more logical to install VAWTs in some areas to supply electricity. In addition, there are some regions, which are very far from the power plants, and it is expensive to transfer the electricity. It will be cheaper to supply electricity from the VAWTs closer to these regions.

5. CONCLUSION

In this study, a short overview about VAWTs in terms of advantages and disadvantages was performed and application opportunities of VAWTs in Turkey were investigated. The results showed that VAWTs have many advantages such as having a low maintenance cost, easy construction and being able to operate by winds blowing from any direction. In addition, it was found that Turkey has still much wind energy potential to be used, only a part of the potential was used now. There are many available application opportunities of VAWTs, they can be installed to cover the energy demand of irrigation pumps, hotels and also general electricity supply can be an another choose. Taken into account of the energy import ratio of Turkey, it is a great opportunity for the investors to invest on wind power and install VAWTs in Turkey.

6. REFERENCES

[1] Kaya, M. N., Aksoy, M. H., & Kose, F., Renewable Energy in Turkey: Potential, Current Status and Future Aspects. Annals of the Faculty of Engineering Hunedoara, 15(1), 65.

[2] Kaya, Mehmet Numan, and Faruk Köse. "Wind Power Plants for Low Rated Wind Speed Regions: Feasibility Analysis and Simulation of a System." E3S Web of Conferences. Vol. 10. EDP Sciences, 2016.

[3] GEPA, REPA, Available from: http://www.eie.gov.tr.

[4] EIEI, Electrical Power Resources and Development Administration, Ankara, Turkey

[5] GWEC, Global Wind Energy Council, Global wind energy statistics. 2011. Brussels, Belgium,

[6] MMO - Chamber of Mechanical Engineers, Energy outlook of Turkey - 2016, Chamber of Mechanical Engineers, 2016.

951

[7] Turkiye ruzgar enerjisi birligi, Turkiye ruzgar istatistik raporu, Ocak 2017

[8] Eriksson, S., Bernhoff, H., & Leijon, M. (2008). Evaluation of different turbine concepts for wind power. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(5), 1419-1434.

[9] Morgan CA, Gardner P, Mays ID, Anderson MB. The demonstration of a stall regulated 100 kW vertical axis wind turbine. In: Proceedings 1989 European wind energy conference, Glasgow, Scotland, 1989; 645–49.

[10] Ashwill TD. Measured data for the Sandia 34-meter vertical axis wind turbine. Sandia National Laboratories 1992; SAND91-2228.

[11] Muljadi E, Pierce K, Migliore P. Control strategy for variable-speed, stall-regulated wind turbines. National Renewable Energy Laboratory 1989; NREL/CP-500-24311-UC Category:1211.

[12] I. Paraschivoiu, Wind turbine design with emphasis on Darrieus concept (1st ed), Polytechnic International Press, Canada (2002)

[13] R. Bos, “Self-starting of a small urban Darrieus rotor. Strategies to boost performance in low-reynolds-number flows.,” Delft University of Technology, Master of Science Thesis, 2012.

[14] Sheldahl, Robert E., Paul C. Klimas, and Louis V. Feltz. Aerodynamic performance of a 5-metre-diameter Darrieus turbine with extruded aluminium NACA-0015 blades. National Technical Information Service, 1980.

[15] Kose, F., & Kaya, M. N. (2018). Wind-Hydro Pumped Storage Pow er Stations to Meet the Energy Demands of Irrigation: Feasibility, Optimal Design and Simulation of a System. 39(2), 223-232.

[16] Kumar, R., Raahemifar, K. and Fung, A.S., 2018. A critical review of vertical axis wind turbines for urban applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 89, pp.281-291.

[17] Worasinchai, S., “Small Wind Turbine Starting Behaviour,” Durham Univ. - PhD Thesis, p. 115, 2012.

[18] J. M. Edwards, L. Angelo Danao, and R. J. Howell, “Novel Experimental Power Curve Determination and Computational Methods for the Performance Analysis of Vertical Axis Wind Turbines,” J. Sol. Energy Eng., vol. 134, no. 3, p. 31008, 2012.

[19] K. M. Almohammadi, “Optimization of a CFD Based Design of a Straight blade Vertical Axis Wind Turbine (SB-VAWT),” The University of Leeds, PhD thesis, 2014.

[20] Longhuan, D. S. Start-up, “Numerical and Experimental Investigations of Darrieus Wind Turbine Start-up and Operation,” Durham Univ. - PhD Thesis 2016.

[21] Matthias Kinzel, Quinn Mulligan, John O. Dabiri. (2012) Energy exchange in an array of vertical-axis wind turbines. Journal of Turbulence 13.

[22] J. O. Dabiri, “Vertical-axis wind turbines revisited,” Los Alamos National Laboratory TurbineTurbine Interaction Workshop, 2011.

[23] Mertens S, Van Kuik G, Van Bussel G. Performance of an H-Darrieus in the Skewed Flow on a Roof. ASME. J. Sol. Energy Eng. 2003; 125(4):433-440. doi:10.1115/1.1629309.

[17] Worasinchai, S., “Small Wind Turbine Starting Behaviour,” Durham Univ. - PhD Thesis, p. 115, 2012.

[18] J. M. Edwards, L. Angelo Danao, and R. J. Howell, “Novel Experimental Power Curve Determination and Computational Methods for the Performance Analysis of Vertical Axis Wind Turbines,” J. Sol. Energy Eng., vol. 134, no. 3, p. 31008, 2012.

[19] K. M. Almohammadi, “Optimization of a CFD Based Design of a Straight blade Vertical Axis Wind Turbine (SB-VAWT),” The University of Leeds, PhD thesis, 2014.

[20] Longhuan, D. S. Start-up, “Numerical and Experimental Investigations of Darrieus Wind Turbine Start-up and Operation,” Durham Univ. - PhD Thesis 2016.

[21] Matthias Kinzel, Quinn Mulligan, John O. Dabiri. (2012) Energy exchange in an array of vertical-axis wind turbines. Journal of Turbulence 13.

[22] J. O. Dabiri, “Vertical-axis wind turbines revisited,” Los Alamos National Laboratory TurbineTurbine Interaction Workshop, 2011.

[23] Mertens S, Van Kuik G, Van Bussel G. Performance of an H-Darrieus in the Skewed Flow on a Roof. ASME. J. Sol. Energy Eng. 2003; 125(4):433-440. doi:10.1115/1.1629309.

952

Invertase Immobilization Onto Novel Poli (Acrylamide-Gall) Composite

C. Hepokur1

1Department of Basic Pharmaceutical Sciences, Division of Biochemistry Cumhuriyet University, Faculty of Pharmacy, Sivas, Turkey

Abstract For to use the immobilization invertase, novel composite hydrogels, poly (acrylamıde-gall) (AG3) and poly (acrylamıde-gall-Fe nanoparticle) (AG3F) were prepared. Invertase was immobilized onto AG3 and AG3F and immobilized invertase (AG3I and AG3FI) were prepared. For AG3 and AG3F, free invertase optimum pH values are found to be 3,4 and 5, respectively and optimum temperature were 40, 50 and 30 oC for AG3 and AG3F and free invertase. Km values of AG3I and AG^3FI, free invertase were found to be 1,58 mM;0,97 mM; 2.0 mM. Vmax values were 139,6 µmol/min for AG3I;123,7 µmol/min for AG3FI;11 µmol/min for free invertase. The invertase immobilized composite hydrogels showed excellent operational stability.

Keywords: Invertase, Hydrogels, Acrylamide, Immobilization

1. GIRIŞ

Enzimler canlı hücrelerdeki biyokimyasal tepkimeleri hızlandıran protein moleküllerdir. Bütün katalizörler gibi enzimlerde tepkimenin etkinleşme enerjisini düşürerek tepkimeyi hızlandırırlar1. Enzimler son derece özgüldürler bu yüzden bütün kimyasal tepkimelere katılmazlar, tepkime boyunca değiştirilemezler ve hızlı çalışırlar. Hücre içinde gösterdikleri aktiviteyi hücre dışında da gösterebilmeleri nedeniyle enzimlerin birçoğu hücreden ayrılabilir ve değişik ortamlarda kullanılabilirler. Enzimlerin bu özellikleri onların pek çok kimyasal ve endüstriyel işlemlerde kullanılmasına olanak sağlarlar. Biyolojik deterjanlar, bira endüstrisi, süt endüstrisi, nişasta endüstrisi, deri endüstrisi, tıp ve eczacılık alanları enzimlerin kullanıldığı alanlardır.

İnvertaz (β-D-fruktofuranozidaz E.C. 3.2.1.26) β-fruktofuranozitlerin indirgenmemiş β-D-fruktofuranozit ucundan hidrolizini katalizleyen hidrolaz sınıfı bir enzimdir. İnvertaz, hafif krem renkli, suda çözünebilen, zengin karboksilik gruplu asidik bir enzimdir. İnvertazın mol kütlesi elde ediliş kaynağına göre değişmektedir. İnvertaz sukroz hidrolizi sonucu oluşan fruktoz sukroza göre daha tatlı olması ve kolay kristallenmemesi nedeni ile gıda endüstrisinde tercih edilmektedir [1-2]. İmmobilizasyon enzim, hücre ve diğerlerinin tamamen ya da kısmen hareketlerinin sınırlandırılması yöntemi olarak tanımlanabilir. Biyokatalizörler olarak enzimler, kirlilik, inhibisyon, çözücüler, tuzlar, sıcaklık, pH gibi çevresel etkilerden korunmak için bir desteğe ihtiyaç duyarlar ve immobilize edilirler. İmmobilizasyon enzimin bulunduğu ortamdan geri kazanımını sağlar. Immobilize enzim çalışmalarında en önemli araştırma alanı uygun destek materyalinin bulunmasıdır [3-4]. Bu nedenle endüstriyel alanda değişik desteklere immobilizasyonu üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır.Galler bitkilerin; bakteri, mantar, kene ve böcek gibi değişik organizmaların saldırısına karşı koyma yönünde gösterilen çabanın sonucudur. Gal oluşumuna neden olan asalaklar, çeşitli kimyasallar salgılayarak, üzerinde yaşadıkları bitkinin büyüme hormonu salgılamasına ve hızlı hücre

1 Corresponding author. Tel.: + 0 346 219 12 60: fax: +90 346 219 1634 E-mail address: cozsoy@cumhuriyet.edu.tr (C. Hepokur).

953

bölünmeleriyle o bölgede lokal hücre sayısının artmasına neden olurlar. Bunun sonucunda ortaya çıkan anormal bitkisel yapılara da gal denir. Gal oluşumları genellikle bitki büyümesinin arttığı ilkbahar dönemlerinde yeni yaprak, tomurcuk ve çiçeklerde meydana gelir. Gal oluşmaya başladığında böcek ölse bile pek çok gal oluşmaya devam edecektir. Ayrıca, gal genellikle bir mevsimden fazla bitki üzerinde kalmadıkça farkedilemez (Graham et al. 2004).

Yüksek manyetik özelliğinin yanı sıra düşük toksitesi yüzünden demir ve oksitleri gerek ilaç endüstrisinde gerekse biyoteknoloji de çok sık kullanılan bir metaldir. Klinik olarak da bu tür manyetik nanoparçacık malzemeler ilaç salınımında [6], tıbbi teşhis ve tanıda [7], hipetermiya [8] ve hücre ayrımında [9] kullanıldı. Bu uygulamaların hepsi teknoloji de yeni gelişmelere neden oldu. Bu çalışmaların hepsinde ki ana mantık nanoparçacıkların yığınlar halinde kümelenmelerini önlemek için etraflarının bir polimer tarafından sarılması ve hedefe yönelmesini sağlamaktır. Aynı zamanda araştırmacılar yaptıkları bu çalışmalarda bu tür nanoparçacıkların enzimin aktivitesini de arttırdığını tespit etmişlerdir.

Bu çalışmada invertaz immobilizasyonunda kullanılmak üzere yeni bir çevre duyarlı polimer destek maddesi hazırlanması, karakterizasyonu ve immobilize enzimin özelliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. Polimer hazırlanışında hidrofilik özellikteki akrilamit, seçilmiştir. Kompozit polimer sentezi için de eklenecek madde olarak gall seçilmiştir. Bu çalışmada kullanılan galler bazı böceklerin Quercus türlerinin büyüyen gövdesi üzerine yumurtalarını bırakması sonucu oluşmuştur. Bu amaçla biyobozunur özellik kazandırılıp polimerin maliyeti azaltılacaktır.

2.MATERYAL VE YÖNTEM

2.1 Kompozit Hidrojellerin Hazırlanması

İnvertaz immobilizasyonunda kullanılmak akrilamid-0,3 g gall (AG3), akrilamid-Fe nanopartikülü (FeNP) -0,3 g Gall(AG3F) kompozit hidrojeli hazırlanmıştır.

AG3 hazırlanışı; 0,1 mol AAm 10 mL suda çözüldü. Suda çözülmüş, monomer karışımının %5’i kadar çapraz bağlayıcı (N,N’-metilenbisakrilamid (NNMBA), % 0.1’i kadar başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) eklendi. Bu karışıma 0,3g gall ekleyerek hızlı bir şekilde 1.68 mmol N,N,N’,N’-tetrametiletilendiamin (TEMED) ekleyerek 3-4 mm çapında pipetlere doldurulup oda sıcaklığında (22 oC’ta) bekletilmiştir. Uzun silindirik yapıda elde edilen kompozit hidrojeller pipetlerden çıkarılarak 3-4 mm boyutlarında kesilmiş, çift damıtık suda yıkanıp havada ve vakum etüvünde kurutulmuştur.

AG3F hazırlanışı; 0,1 mol AAm 10 mL suda çözüldü. Suda çözülmüş, monomer karışımının %5’i kadar çapraz bağlayıcı (N,N’-metilenbisakrilamid (NNMBA), % 0.1’i kadar başlatıcı olarak amonyum persülfat (APS) eklendi. Bu karışıma 0,3g gall ve 0,1 g Fe ekleyerek hızlı bir şekilde 1.68 mmol N,N,N’,N’-tetrametiletilendiamin (TEMED) ekleyerek 3-4 mm çapında pipetlere doldurulup oda sıcaklığında (22 oC’ta) bekletilmiştir. Uzun silindirik yapıda elde edilen kompozit hidrojeller pipetlerden çıkarılarak 3-4 mm boyutlarında kesilmiş, çift damıtık suda yıkanıp havada ve vakum etüvünde kurutulmuştur.

Şekil 1. Poliakrilamid ve Demir nanopartiküllü gal hidrojelinin temsili gösterimi

2.2. Kompozit Hidrojellerin Karakterizasyonu

Hidrojellerin karakterizasyonu için şişme denemeleri yapıldı.

954

2.2.1. Şişme Deneyleri 25oC’de kuru kütlesi tartılan AG3 ve AG3F kompozit hidrojelleri damıtık su içine konulup belirli sürelerde alınarak kurulanıp tartıldı. Kütlelerin dengeye gelmesi beklendi.

2.3. İnvertazin AG3 ve AG3F Kompozitlerine İmmobilizasyonu

İnvertazın immobilizasyonu için yaklaşık 1 g AG3 ve AG3F kompozit polimerleri 50 mL 1 mg ml-1’lik invertaz çözeltisine eklendi. Çalkalamalı karıştırıcıda 37 oC’ta 150 rpm karıştırma ile 3 saat bekletildi. Böylece AG3 hidrojeline immobilize olmuş invertaz; AG3I ve AG3F hidrojeline immobilize olmuş invertaz;AG3FI oluşturuldu. İmmobilize invertazlar damıtık su ve 50 mM CH3COOH-CH3COONa (pH;4.8) tamponunda yıkandı. Denemelerde kullanılana dek +4 oC sıcaklıkta saklandı.

2.4. Serbest ve İmmobilize İnvertaz Deneyleri

2.4.1. Aktivite Analizi

Serbest ve immobilize invertaz aktivitesinin saptanması için enzimler sukroz çözeltisi ile etkileştirildi. Sukroz hidrolizi gerçekleştirildikten sonra oluşan glukoz miktarı glukoz analiz kiti yardımıyla spektrofotometrik olarak saptandı [10].

2.4.2. Optimum pH'nın Belirlenmesi

Serbest ve immobilize invertazın optimum pH'sının belirlenmesi için 100 mM 20 mL sukroz çözeltisi farklı pH'lardaki tampon çözelti (pH: 3-9) içinde hazırlandı. Örnekler 37 °C'ta 5 dakika bekletildikten sonra her birine 100 µL 1 mg mL-1 ‘lik serbest invertaz eklenip aktivite analizi gerçekleştirildi. Aynı denemeler yaklaşık 0.6 g şişmiş AG3I ve AG3FI eklendikten sonra yapılarak immobilize invertazlar ile aktivite analizi gerçekleştirildi.

2.4.3. Optimum Sıcaklığın Belirlenmesi

Serbest ve immobilize invertazın optimum sıcaklığının belirlenmesi için 100 mM 20 mL sukroz çözeltisi 50 mM asetat (pH; 5) tamponunda hazırlandı. Örnekler değişik sıcaklıklarda (20-70 °C) 5 dakika bekletildi. Bu çözeltilere serbest invertaz aktivitesinin saptanması için 100 µL (1mg m-1) invertaz, immobilize invertaz aktivitesinin eklenmesi için 0.6 g şişmiş AG3I ve AG3FI eklenerek aktivite analizi gerçekleştirildi.

2.4.4. Kinetik Parametrelerinin Bulunması

Optimum sıcaklık ve optimum pH belirlendikten sonra serbest enzim ve immobilize enzimlerin kendi optimum pH ve sıcaklık değerlerinde, değişik derişimlerdeki sukroz çözeltileri (5-300 mM) içinde aktivite analizi gerçekleştirildi.

2.4.5. Kullanım Kararlılığı

0,3 g AG3I ve AG3FI ile 100 mM 20 mL sukroz çözeltisi ile kendi optimum pH ve kendi optimum sıcaklıklarında aktivite ölçümü yapıldı. Deney ortamından alınan hidrojeller damıtık su ve 50 mM asetat tamponunda (pH: 4.8) yıkandıktan sonra yeniden aktivite analizinde kullanıldı. Bu işleme aktivite düşene kadar devam edildi.

3. TARTIŞMA

3.1. Hidrojellerin Karakterizasyonu

İnvertaz immobilizasyonunda kullanılmak üzere hazırlanan AG3 ve AG3F kompozit hidrojellerinin karakterizasyonu için şişme denemeleri yapıldı.

3.1.1. Şişme Deneyleri Bir hidrojelin şişme özelliği immobilize edilecek enzim ve onun substratla etkileşimi açısından da önemlidir. Hidrojellerin çözücü ortamında şişebilmeleri çözücü ve hidrojellerin doğası ile yakından ilgilidir. Hazırlanan hidrojellerin şişme davranışının araştırılması için kinetik şişme kütle ölçüm yöntemiyle yapılmıştır. % şişme (%S) değerleri Eşitlik 1’den hesaplandı.

100% xmo

momtS −= (1)

Burada mo: hidrojelin başlangıç kütlesi; mt : hidrojelin dengedeki kütlesidir.

955

Time / dk

0 100 200 300 400 500

% S

0

50

100

150

200

250

300

AG3AG3F

Şekil 2. 25 oC’ta hidrojellerinin şişme grafiği

AG3 kütlesinin %150’si kadar şiştiği halde AG3F kütlesinin % 280 ‘i kadar şişmiştir. Şekilden de görüleceği gibi kütlesinin %300 katı kadar şişme gözlenmiştir. Fe nanopartiküller stabil oldukları için gall daki fonksiyonel grupların suda iyonlaşmasıyla şişme değerinde artış görülmüştür.

3.2. Serbest ve İmmobilize İnvertaz Deneyleri

3.2.1. Optimum pH'nın Belirlenmesi

Sukroz hidrolizinde kullanılarak aktiviteleri saptanan invertazların değişen pH değerine karşın gelen % aktivite değerleri grafiğe geçirildi ve Şekil 3’de gösterildi.

Şekil 3. Sukroz hidrolizinde pH ya göre intervazın aktivitesi

AG3 ve AG3F değişik pH’larda farklı aktivite göstermişlerdir. Asidik bölgede aktivitelerinin daha yüksek olduğu gözlenmektedir. Önceki çalışmalarımızda elde ettiğimiz verilere dayanarak serbest enzim pH 5 civarında yüksek aktivite gösterirken enzim immobilize olduktan sonra AG3’de pH3’te maksimum aktivite gösterirken AG3F ise maksimum pH 4 ‘te aktivite göstermiştir. Uzun ve arkadaşları yaptığı çalışmada polyamidoamine polimeriyle aynı denemeleri yapmış ve yine aynı şekilde intervaz enziminin aktivitesini arttıramamıştır [12].

3.2.2. Optimum Sıcaklığın Belirlenmesi

Sukroz hidrolizinde kullanılarak aktiviteleri saptanan invertazların değişen sıcaklık değerine karşın gelen aktivite değerleri grafiğe geçirildi ve Şekil 4’de gösterildi.

956

T / oC

20 30 40 50 60 70 80

S %

50

60

70

80

90

100

110

120

Şekil 4. Optimum sıcaklık grafiği

Şekil 4'ten görüleceği gibi AG3 ve AG3F 'nin optimum sıcaklık değerleri değişkenlik göstermiştir. AG3 sıcaklıkla parabolik bir düşüş gösterirken, AG3F ise sıcaklıkla artarak 55 °C de % 100 ün üzerine çıkmıştır. İnsan vücudu sıcaklığı civarında AG3 ve AG3F yüksek aktivite göstermiştir. Uzun ve arkadaşlarının yaptığı her iki çalışmada aktivite 37 °C civarlarında % 70-75 iken bizim çalışmamızda bu değer % 80 nin üzerindedir [11-12]. Kaldı ki literatürdeki diğer örneklerde % 80 aktivitenin üzerine çok fazla çıkamamışlardır [3-4].

3.2.3. Kinetik Parametrelerinin Bulunması Optimum sıcaklık ve optimum pH belirlendikten sonra serbest enzim ve immobilize enzimlerin kendi optimum pH ve sıcaklık değerlerinde, değişik derişimlerdeki sukroz çözeltileri (5-300 mM) içinde aktivite analizi gerçekleştirildi.

AG3 ve AG3F’nin Vmax değerleri sırasıyla; 1,58 ve 0,97 µmol /min iken Km değerleri 139,6 ve 123,7 mM’dır. Serbest enzimin Vmax değeri 2.0 µmol /min Km değeri 11 mM’dır.İmmobilizasyon Vmax ve Km değerlerini değiştirmiştir. Bu çalışmada da görüldüğü üzere genel olarak immobilizasyonda Km değeri artarken, Vmax değeri azalır.

Table1. İnvertazın Özellikleri

Enzim Optimum pH Optimum Sıcaklık / oC Vmax / µmol dk-1 Km / mM

Serbest 5.0 30 2.0 11

AG3 3.0 40 1,58 139,6

AG3F 4.0 50 0,97 123,7

3.2.5. Kullanım Kararlılığı Kullanım kararlığını tespit etmek için polimer birçok defa kullanıldı ve şekilde gösterildi.

957

tekrar kullanım

0 5 10 15 20

% A

ktiv

ite

0

20

40

60

80

100

120

AG3AG3F

Şekil 4. AG3 ve AG3F hidrojelinin tekrar kullanım kararlılığı

İki polimerinde kullanım kararlılığı yüksek iken, AG3F ‘nin kullanım kararlılığının daha fazla olduğu gözlenmektedir.

4. SONUÇLAR Sonuç olarak, invertaz immobilizasyonu için uygun destek materyali olarak yeni AG3 ve G3F kompozit hidrojelleri hazırlandı.AG3I ve AG3FI enzimleri kullanım stabilitesine sahiptir.Ve gelecekteki çalışmalar tarafından desteklendikten sonra endüstride kolayca kullanılabilir

5.KAYNAKLAR

[1] Combes, D., Monsan, P., Sucrose hydrolysis by invertase, Characterization of products and substrate inhibition,

Carbohydrate Research, 117;215-228,1983.

[2] Keith, F., Tipton, Henry B.F. Dixon, Effects of pH on enzymes, Methods in Enzymology, 63;183-234,1979.

[3]Garcia-Galan, C., Berenguer-Murcia, A.,Fernandez-Lafuente, R., Rodrigues R.C., Potential Of Different Enzyme Immobilization Strategies To Improve Enzyme Performance, Advanced Synthesis And Catalysis, 353;2885–2904,2011.

[4] Gomez, L., Ramirez, H.L.,Cabrera, G., Simpson,B.K., Villalonga R., Immobilization of invertase-chitosan conjugate on hyaluronic-acid-modified chitin, Journal of Food Biochemistry, 32;264–277,2008.

[5] Wawrzynski,R.P., Hahn, J.D., Ascerno, M.E., ınsect and mite galls,the colloge of agricultural food and environmental sciences, 800; 876-8636,2005.

[6] Torchilin V.P., Drug targeting. Eur J Pharm Sci, 11;81–91,2000.

[7] Juillerat-Jeanneret, L.,Schmitt,F., Chemical modification of therapeutic drugs or drug vector systems to achieve targeted therapy: looking for the grail, Res Rev, 27;574–590,2007.

[8] Hongwei,G., Keming,X., Zhimou Y.,Chang C.K.,Xu B., Synthesis and cellular uptake of porphyrin decorated iron oxide nanoparticles—a potential candidate for bimodal anticancer therapy,Chem Commun, 34;4270–4271,2005.

[9] Mura C.V.,Becker,M.I.,Orellana,A.,Wolff,D., Immunopurification of Golgi vesicles by magnetic sorting, J Immunol Methods, 260; 263–271,2002.

[10] Hepokur C., Oztop, H.N., Saraydın, D., Acrylamide–Sepiolite Based Composite Hydrogels for Immobilization of Invertase, Nanoscale Food Science, Engineering, and Technology,74;45-49,2009.

[11] Uzun, K., Çevik,E., Şenel,M., Baykal,A, Reversible immobilization of invertase on Cu-chelated polyvinylimidazole-grafted iron oxide nanoparticles, Bioprocess Biosyst Eng, 36;1807–1816,2013.

[12] Uzun,K., Çevik,E., Şenel,M., Sözeri,H., Baykal,A:, Abasıyanık,M.F., Toprak,M.S., Covalent immobilization of invertase on PAMAMdendrimer modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles, J Nanopart Res,12; 3057-3067,2010.

958

Updating Cadastre Information (3402-22/A): The Case of Antalya Province Alanya District

D.O. Kocaman1, İ.Buğdaycı1, S.S. Durduran1, T. Özcan1*, A.Bozdağ2

1Department of Geomatic Engineering, Engineering Faculty, Necmettin Erbakan University, Konya-Turkey

2Department of Geomatic Engineering, Engineering Faculty, Niğde Ömer Halisdemir University, Niğde-Turkey

Abstract The issues that cadastral map is not suitable to regulations and has plan and land dispute, the minimum level of information required do not take part on the sheets and boundaries at the ground are not accordance with reality reveal the need for regulation in these maps. These regulations, which are made in accordance with article 22a of the Cadastre Law, are of great importance in terms of ensuring trust in the state and responsibility of the state within the scope of land registry principles.

Cadastre information and documents are continuously needed by many institutions and organizations. In order that these institutions and organizations can carry out their work in a smooth, up-to-date and integrated with each other, the cadastre should be a structure containing precise and sensitive information and using the facilities of the technology in the best way. In this context, 22a applications are seen as important arrangements in the completion of existing deficiencies, the fulfillment of needs and the sustainability of the cadastre.

This study examines the cadastral regulation process that started with 22a for these problems by revealing the problems on the property in the existing cadastral applications in Antalya province Alanya district. The updating studies, objectives, method, steps, encountered situations and results related to the cadastral regulation will be evaluated.

Keywords: Cadastral development, cadastral regulation, 3402-22a.

1. GİRİŞ

Kadastro, bir ülkedeki her türlü arazinin ve mülklerin yeryüzü üzerindeki konumlarını, alanlarını, değerlerini ve üzerlerindeki hak ve yükümlülükleri belirleyerek plana bağlama işi olarak tanımlanır [1]. Kadastro çalışmalarında çeşitli ölçme teknikleri ve farklı mevzuatlar kullanılması paftaların yenilenmesi ve güncellenmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bu amaçla Tapu ve Kadastro Genel Müdürlüğü (TKGM) tarafından Tapu ve Kadastro Modernizasyon Projesini (TKMP) başlatılmıştır.

Kadastro bilgilerinin güncellenme çalışmaları için 2859 sayılı Tapulama ve Kadastro Paftalarının Yenilenmesi Hakkında Kanun ile 3402 sayılı Kadastro Kanununun 22-a maddesi uyarınca 29.11.2006 tarihli ve 26361 sayılı Resmi Gazetede yayımlanarak yürürlüğe giren Kadastro Haritalarının Yeniden Düzenlenmesi ve Tapu Sicilindeki Gerekli Düzeltmelerin Yapılmasında Uyulacak Usul ve Esaslara İlişkin Yönetmelik yasal dayanaktır [2].

Ülkemizde, tesis kadastrosu çalışmalarına başlanalı yaklaşık yarım asırlık bir süre geçmiştir. Süreç içerisinde kadastro arşivlerinde yer alan paftaların büyük bir kısmı eskimiş, güncelliğini kaybetmiş ve günümüz imkân

* Corresponding author. Tel.: +90 542 476 24 57 E-mail address: tansualkan93@gmail.com (T. Özcan)

959

ve teknolojilerine cevap veremez hale gelmiştir. Ayrıca ölçek, altlık türü, üretim tekniği ve koordinat sistemlerinde farklılıklar sebebiyle hem kendi içlerinde hem de diğer kullanım alanlarıyla ilişkilendirilmeleri zordur [3]. Bu sebeplerden dolayı bir taraftan ülkenin tesis kadastrosu tamamlanmaya çalışılır iken, diğer taraftan da önceden tamamlanmış birimlerin kadastrosunun yenilenmesine ve varsa mevcut hataların giderilmesine çalışılmaktadır.

Bu çalışmanın amacı, Antalya ili Alanya ilçesinde tesis edilmiş kadastroyu güncelleyerek günümüz şartlarına ve imkânlarına cevap verebilir hale getirmektir. Kadastro çalışmaları sırasında karşılaşılan sorunlar ortaya konularak sonuçlar değerlendirilmiştir.

2. KADASTRO BİLGİLERİNİN GÜNCELLENME GEREKSİNİMLERİ

Kadastro paftalarının; teknik sebeplerle yetersiz kalması, uygulama niteliğini kaybetmesi, eksikliği görülmesi ve zemindeki gerçek durumu yansıtmamaları gibi sebeplerle yenilenmesi gerekir. Bu sebepler; paftanın yapım tekniğinin eksi olması sebebiyle istenilen hassasiyetin sağlanamaması ve zemine uygulama kabiliyetinin bulunmaması, paftadaki bilgilerin okunamaz durumda olması ve bilgilerin orijinal belgelerden elde edilememesi ve taşınmazların paftadaki ve zemindeki sınırları arasında farkların bulunması şeklinde ifade edilebilir [4].

Kadastro paftalarının yenilenme gereksinimleri yukarıda bahsedilen sebeplerle sınırlı değildir. Bu paftaların yükseklik bilgileri olmadığı için üç boyutlu verilerle ilişkilendirilmeleri kolay değildir. Kadastrosu tamamlanmış yerlerde gerçekleşen değişiklikler gereği gibi takip edilememiş ve güncellemeler yapılamamıştır. Tesis kadastro çalışmaları esnasında taşınmaz değerleme bilgileri üretilemediği için kamulaştırma, arsa ve arazi düzenlemesi, toplulaştırma, değer belirleme, taşınmaz vergi ve harçlarının tespitinde gerçek anlamda altlık olamamaktadır [5].

Yasalara göre, bir taşınmazın tapu sicilinde yüzölçümü gerçeği yansıtmadığı durumlarda; tescile konu yüzölçümü olarak taşınmazın zemin sınırlarına göre değil, planındaki sınırlarına göre hesaplanan yüzölçümü esas alınmaktadır. Ayrıca, kadastro bilgileri tüm yatırım ve mühendislik hizmetlerine de altlık oluşturmaktadır. Fakat, bu kadastro bilgileri araziye ait diğer bilgilerle entegre edilemediğinden ve konumsal bilgi sistemleri oluşturulamadığından, birçok alanda bunlardan yararlanılamamakta ve çeşitli kurumlar tarafından yapılan üretim çalışmalarında veri tekrarlarına sebep olmaktadır [6]. Tüm bu sebeplerden dolayı kadastro haritalarının zemini yansıtan, hassasiyeti yüksek, ülke genelinde belli bir koordinat sisteminde üretilen, kurumlar arası veri paylaşımına elverişli, her zaman uygulanabilir ve güvenilir olması gerektiğini ortaya koymaktadır.

3. UYGULAMA ALANI Alanya ilçesi turizm bölgesi olması ve doğal güzellikleri sebebiyle maddi yönden oldukça değerli alanlara sahip bir yerleşim birimidir. Alanya ilçesinde özellikle sahil bölgesinde yapılan ilk tesis kadastroların büyük çoğunluğu 1960’lı yıllarda tamamlanmış, bazı birimlerde kısmi yenilemeler yapılmasına karşın bu alanlarda yapılan kadastro işlemleri günümüz teknolojisinin çok gerisinde kalmıştır. Bu sebepledir ki Alanya ilçesinin %50-%60’ ına yakın kısımlarında güncelleme ihtiyacı doğmuştur.

3.1. Uygulamaya Tabi Tutulan Parseller

22-a uygulaması için uygulama alanı seçimi ile ilgili 15.10.2009 tarihinde TKGM Fen Dairesi Başkanlığı tarafından 3402/22-a Uygulaması Talimatı yayımlanmıştır. Bu talimata göre [2];

• Öncelikle, birimin tamamında veya bir kısmında teknik nedenlerle yetersiz kalan kadastral paftaların, uygulama niteliğini kaybettiğinin ve zemini yansıtmadığının tespiti halinde tamamı veya bir kısmı uygulamaya alınacaktır.

• Kamu kurum ve kuruluşları tarafından planlanmış veya başlamış çalışmaların olup olmadığı araştırılarak, böyle bir durumun olması halinde herhangi bir hak kaybına ve haksız kazanıma meydan vermeyecekse bu alan 22-a uygulama alanı kapsamı dışında tutularak ikinci bir çalışmaya sebebiyet verilmeyecektir.

• 2859 sayılı kanuna göre yenileme çalışmalarına başlanmış ve askı ilanı aşamasına gelen yerlerde işlemler bu kanun hükümlerine göre yapılır. Ancak yenileme çalışmalarına başlanılmayan, başlansa dahi askı ilan aşamasına gelmeyen ve sınırlandırma hatası nedeniyle çalışmaları tamamlanamayan yerler varsa 22-a uygulaması kapsamına alınması için idarenin onayına sunulur.

Tapu ve Kadastro Genel Müdürlüğünce talimat edilen durumlara göre Alanya Kadastro Birimince öncelik sırasına göre tespit edilen birimler aşağıdaki Tablo I’ de gösterilmiştir.

960

Tablo I. Uygulamaya tabi tutulan parseller.

Parsel Sayısı Alan

Birimin

Toplam Parsel

Sayısı

(Adet)

Yenileme

İhtiyacı Olan

Parsel Sayısı

(Adet)

Birimin

Toplam

Alanı

(Dönüm)

Yenilenme

İhtiyacı Olan

Kısmın Alanı

(Dönüm)

Avsallar 2851 364 4669 990

Demirtaş 1878 508 5152 1980

Hacımehmetli 3345 512 17846 488

İncekum

Kestel

Seki

Toslak

Emişbeleni

Göçük

Karaçukur

1914

3009

315

2376

1019

2681

485

1073

555

313

1508

671

2649

412

6503

8284

1531

9366

5022

14000

1853

5505

3010

1527

6712

3686

13502

1641

3.2. 22-a Uygulama Ekiplerinin Belirlenmesi

22-a uygulamaları için 3402 sayılı Kadastro Kanununun 3. maddesinde bahsedilen kadastro ekibi oluşturulur. Bu ekip en az iki adet kadastro teknisyeni, mahalle veya köy muhtarı ile en az üç bilirkişiden oluşmaktadır.

Alanya ilçesinde 22-a uygulamalarında mevzuatın öngördüğü hususlar doğrultusunda her birimde 6’şar bilirkişi seçilmiştir. Uygulamalar sırasında en az 3 bilirkişi refakatinde çalışmalar yürütülmektedir.

3.3. Tapu ve Kadastro Kayıtları Üzerinde Belirtme Yapılması

3402 Sayılı Kadastro Kanununun 22-a maddesi uyarınca yapılan işlemler sonucunda proje kapsamındaki parsellerin kadastro ve tapu verileri üzerinde fenni ve hukuki birçok değişikliğe uğrayacağı durumu göz önüne alınırsa oluşabilecek tüm bu değişikliklerin parselin ilgililerince önceden biliniyor olması ve uygulama sonrasındaki hak kayıplarının önüne geçilmesi hedeflenmektedir.

3.4. Bilgi, Belge ve Altlık Oluşturabilecek Her Türlü Verinin Toplanması

22-a uygulamalarında mevcut teknik belgelere ek olarak varsa halihazır harita, fotogrametrik harita, hava fotoğrafı ve diğer amaçlı harita ve teknik belgeler temin edilmektedir. Alanya ilçesinde bilgi, belgelerin toplanmasına dair tüm işlemler görevli teknisyen ve kontrol memurlarınca sağlanmıştır.

Uygulama alanındaki çizgisel paftalar taranarak elde edilen raster görüntüler, mevcut ise orijinal ölçü değerlerinden elde edilecek sayısal veriler, hâlihazır harita, fotogrametrik harita, hava fotoğrafı, diğer amaçlı harita ve teknik belgelerden elde edilecek veriler, jeodezik noktalara ait konum verileri, ilk tesis kadastrosu/tapulama çalışmalarından düzenlenen ve ilgili birime ait fenni evraklar, diğer proje üreten kurumlardan elde edin bilgi, belge, plan ve haritalar daha sonra yapılacak zemin ölçüleriyle birlikte değerlendirmek üzere elektronik ortamda ayrı tabakalar halinde hazır edilir.

3.5. Davalı Taşınmazlara Ait Listelerin Temin Edilmesi

Uygulamaya konu birimlerde bulunan taşınmazlarla ilgili olarak sınır ve yüzölçümüne yönelik derdest davalar ile hükme bağlanmış olup da, halen kesinleşmeyen davaların listesinin bildirilmesi yerel mahkemelerden istenilmektedir. Yerel mahkemelerden alınan cevaplar doğrultusunda, güncelleme çalışmalarını ilgilendiren davalar olup olmadığının tespit edilmesi üzerine, mevzuatta öngördüğü şekilde davalı taşınmazlarla ilgili işlemlere yön verilir.

961

3.6. Sınırlandırma Çalışmaları ve Krokilerin Düzenlenmesi

Sınırlandırma çalışmaları ada bazında yapıldığından sınırlandırma krokileri de ada bazında düzenlenmektedir. Uygulama kapsamındaki parseller zeminde ölçü yapılmak suretiyle sınırları belirlenir. Düzenlenecek olan kadastro paftası ile zeminin birbiri ile olan ilişkisini ve taşınmazlara ait sınır ve köşe detay noktalarının tam olarak tespit edilip edilemediği durumlarını farklı renklerle göstererek zeminin değerlendirilmesi sağlanmaktadır.

3.7. Ölçü Çalışmaları ve Ölçü Krokilerinin Düzenlenmesi

Ölçü krokisi sınırlandırma krokisine uygun olarak ada bazında düzenlenmektedir. Sınırlandırma işlemlerinde bahsedildiği gibi ölçü krokisinde veya ilk kadastro paftasında olsun ya da olmasın her türlü muhtesat, tesis, irtifak, yol, dere vb. zeminsel veriler ile kamuya terk edilen alanlar ölçülerek ölçü krokileri üzerinde özel hat tipi ve işaretleri ile birlikte ve varsa renklerine de dikkat edilerek gösterilmektedir. Ölçü krokilerinde mümkün olduğunca mülkiyete konu olsun ya da olmasın mülkiyet sınırlarını işaret eden hâlihazır detayları, sade bir gösterim tipiyle krokilendirilmelidir. Zemindeki mülkiyet sınırlarını ölçü ve aplikasyona gerek duymadan anlamaya yardımcı olabilecek ve mülkiyet sınırlarını oluşturan; direk, trafo, duvar, tel örgü, hendek vb. doğal veya yapay tesisler ölçülerek özel işaret ve hat tipleri ile ölçü krokilerine yansıtılmalıdır.

3.8. Ölçülere Ait Değerlendirme İşlemleri Taranarak raster veriye dönüştürülmüş kadastro paftaları, orijinal ölçü değerlerinden elde edilecek sayısal veriler, ortofoto, hâlihazır harita, fotogrametrik harita, hava fotoğrafı ve diğer amaçlarla üretilmiş harita ve teknik belgeler ile zemin ölçüleri ve zemin çalışmalarında sınırlarla ilgili not alınan hususlar değerlendirmeye tabi tutulur ve bunun sonucunda; geçerli, çekişmeli, belirsiz ve değişebilir sınırlar oluşturulur. Değerleme işlemleri devam ederken sınırların oluşturulmasına, öncelikle paftası ile teknik belgelerinde hata bulunup bulunmadığı araştırılarak başlanır. Paftası ve teknik belgelerinde hata bulunmaması halinde bu belgelere göre geçerli sınırlar oluşturularak devam edilir.

3.9. 22-a Çalışmalarının İlanı

22-a uygulamalarına ait sonuç verileri 3402 Sayılı Kadastro Kanunu ve bu kanuna dair çıkartılan amir hükümler doğrultusunda ilana alınarak ilgililerin tapu sicilinde yapılan düzeltmeler ilişkin bilgi edinmesi sağlanacaktır. Yapılan uygulamaya dair varsa, itirazların da önü açılmış olmaktadır.

4. DEĞERLENDİRME VE SONUÇ Alanya ilçesinde yürütülen çalışmalarda; personel sayısının yetersizliği ve sorumluluk alanı içerisinde halen devam eden kadastro hizmetlerinin sürdürülmesi gerekliliği nedeniyle 22-a uygulamalarına yeterli sayıda personel tahsisi yapılamamıştır. 22-a çalışmalarında görevlendirilen kadastro teknikerine olması gerekenden fazla görevlendirme yapılmıştır.

22-a çalışmalarının ilk adımı olan zemin incelemesi ve ölçüm çalışmalarının yörenin ikliminin en müsait olduğu dönemlerde yapılması için idarece programlar yapılmaktadır. Ülkemiz genel iklim şartları göz önünde bulundurulduğunda, Alanya ilçesinde arazi ortamında çalışmaya elverişli gün sayısı oldukça fazladır. Ancak; iklimin arazide çalışmaya müsaade ettiği zaman aralığı, aynı zamanda Alanya ilçesinde yöre halkının da çiftçilik faaliyetlerinin yoğun olduğu dönemlerdir. Köy ve mahallelerde seçilen bilirkişilerin büyük bir çoğunluğu, çiftçilikle uğraştığından, arazi çalışmalarının aynı döneme rastlaması bilirkişilerin çalışmalara eksiksiz ve tam iştirak etmeleri hususunda birtakım sıkıntılar yaşanmaktadır.

Uygulama kapsamındaki birimler bünyesinde fazla sayıda tescil harici, tapulamaya tabi tutulmamış devletin hüküm ve tasarrufunda olan alan bulunmaktadır. Muhtar ve bilirkişilerce bu alanlarında kadastro çalışmalarının yapılacağı, bu alanlara yapılan tecavüzlerin ve taşmaların komşu tapulu taşınmaz sınırlarına dâhil edilebileceği, sınırlarının genişletilebileceği, ifraz ve tevhit işlemlerinin 22-a çalışmaları ile güncel tapu kaydına yansıtılabileceği ve taşınmazların tapu sicillerinde mevcut mülkiyete dair hataların düzeltilebileceği gibi beklentiler vardır. Bu beklentiler muhtar ve bilirkişilerin işlemin özü olan mevcut mülkiyet durumlarının korunarak teknolojik yöntem farklılıkları ve kadastroyla oluşan hataların giderilmesi olduğunu özümseyememeleridir.

Çalışmalar sırasında muhtar ve bilirkişilerin husumeti bulunan kişilerin taşınmazlarına ilişkin tespitleri sabote ettikleri ve hak kaybına sebebiyet verdikleri konusunda gerek idareye gerekse de uygulama ekiplerine birçok şikâyet gelmiştir. Vatandaşların tapularında meydana gelen bir takım değişikliklerden rahatsız olduğu, özellikle taşınmazlarının yüzölçümü değerlerinde matematiksel anlamda azalmaların söz konusu olduğu durumlarda bu rahatsızlıklarını dile getirdikleri sıkça karşılaşılan bir durumdur.

962

Zeminde ölçü işlemleri sırasında; zeminde taşınmaz sınırlarını belirleyen işaret ve tesislerin yeteri kadar detay kırık noktalarının alınmadığı, kimi zaman zeminde mevcut olmasına rağmen bazı tesislerin ölçülmediği, parsel numaralarının veya ada numaralarının atlanıldığı veya mükerrer verildiği, uygulamaya tabi bir parselin unutulduğu ve askı ilanının eksik parselle ilana alındığı karşılaşılan durumlardandır. Bu örnekler, 22-a işlemleri esnasında karşılaşılması istenmeyecek önemli örneklerden bazılarıdır.

Beklenen güven ve doğruluğa sahip güncel kadastral altlıklara tüm Türkiye genelinde ihtiyaç olduğu bilinmektedir. Bu amaçla 22-a uygulamalarının dayanağı olan kanun ve yönetmelik maddeleri gerçeğe ve ihtiyaçlara uygun tasarlanmalıdır. Ayrıca çalışmaları yürütmek üzere alanında uzman ve kadastro mesleğinde ve tekniğinde yeterince tecrübe sahibi olan teknik personellerden oluşan ekip ile çalışmaların yapılması sağlanmalıdır.

KAYNAKLAR

[1] İnam, Ş. ve Çağla, H., 2007, Kadastronun Güncellenmesi ve Kentsel Yenileme Projeleri Üzerine Bir İnceleme, TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, 11. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, 2-6 Nisan 2007, Ankara.

[2] Yıldırım, S., 2014, Kadastro Paftalarının Yenilenmesi Üzerine Bir İnceleme: Erzurum Bölge Müdürlüğü Örneği, Yüksek Lisans Tezi, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Gümüşhane.

[3] Yurdakul, Ö., 2017, Türkiye Kadastrosunun İkinci Kadastro Açısından Değerlendirilmesi ve Konya İli Bozkır İlçesi Sarıoğlan Mahallesi Örneği, TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, 16. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, 3-6 Mayıs 2017, Ankara.

[4] Kibaroğlu, D. ve Şişman, A., 2009, Kadastro Yenileme Çalışmaları ve Yenileme Kanununun Gereksinimleri, TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, 12. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı, 11-15 Mayıs 2009, Ankara.

[5] Adıbelli, S., 2006, Türkiye’de İkinci Kadastro Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.

[6] Durduran, S.S., Çay, T., Erdi, A., Özkan, G., İnam, S., Yalpır, Ş., İşcan, F., (2007), Türkiye kadastrosunun “kadastro 2014” vizyonuna entegrasyonunun sağlanabilirliğinin araştırılması, Jeodezi, Jeoinformasyon ve Arazi Yönetimi Dergisi, 2007/2, Sayı 97, s.no: 40-46.

963

Real Estate Valuation with Geographical Information Systems: The Case of Antalya Province Muratpaşa District

T. Özcan1*, T.K. Aydın1, A.Bozdağ2, U. Örs1, S.S. Durduran1

1Department of Geomatic Engineering, Engineering Faculty, Necmettin Erbakan University, Konya-Turkey

2Department of Geomatic Engineering, Engineering Faculty, Niğde Ömer Halisdemir University, Niğde-Turkey

Abstract At the beginning of problems encountered in real estate valuation transactions, which methods can be used to determine the real value of the real estate. The concept of the value of real estate has become even more important due to the influence of the developing real estate sector. For this reason, valuation methods such as comparison, income and cost methods which are widely used today have been developed. However, experts and academic circles have developed advanced methods such as liquidation method, analytic hierarchy process, and fuzzy logic. Integrating all these methods, which are accepted in theory and practice, with computer technology has given different points of view to the valuation sector. Geographical Information Systems (GIS), which has an important place among today's information technologies, has begun to be used in real estate valuation as well as its role in virtually every sector.

The aim of this study is to produce a value map of the values of real estate located in the 56 neighborhoods of Muratpaşa district of Antalya province. Through this study, real estate valuation and GIS integration have been provided to create different details and points of view in the valuation sector.

Keywords: Real estate valuation, GIS, real estate value maps.

1. GİRİŞ

Taşınmaz değerlemesi bilim adamlarının üzerine yıllardır önemle eğildiği, bölge koşullarına göre büyük çabalar sarf ettiği ve sürekli geliştirmeye çalıştıkları bir alan olmuştur. Ülkemizde de gelişme göstermeye başlayan bu sektör tam anlamıyla sağlıklı bir zemine oturtulamamış, yasalarla oluşturulmuş olan değerleme ile serbest piyasa değerleri arasındaki fark bir türlü kapatılamamıştır. Oluşturulan bu yasalar arasında değerlemenin bahse konu olduğu doğrudan veya dolaylı olarak birçok hüküm olmasına rağmen değer tespitleri konusunda halen birçok farklı bakış açısı ve farklı değer tespitleri ortaya çıkmaktadır [1], [2]. Belediyelerce belirlenen emlak vergi değeri ile piyasa değeri arasındaki fark buna en güzel örneklerden biri olarak verilebilir. Söz konusu farktan doğan gelir kaybı ekonomi açısından oldukça önem arz etmektedir. Taşınmazların değerlemesi ve bu değerlerin vergilendirilmesi gelişmiş ülkelerin en önemli gelir kaynakları arasında gösterilmektedir. Nitekim Dünyadaki sermaye kaynağının % 56’lık kısmı taşınmazlara dayanmaktadır [3]. Ülkemizde değerleme her taşınmaz için sadece ihtiyaç anında ve ayrı ayrı yapılmakta ve bunun sonucunda bazı taşınmazlar hiçbir zaman değerlemeye tabi tutulamamaktadır. Taşınmaz değerlemesinin klasik yöntemlerle yapılması, aynı bölgede farklı zamanlarda yapılan değerlemeler arasında olması gereken bütünlüğü ortadan kaldırmakta ve kamulaştırma yapılmasında olduğu gibi bir bütün olarak incelenmesi gereken işlem sürecini bölerek kopmalara neden olmaktadır. Bu sebeplerden dolayı taşınmaz değerlemesinin bilgisayar ortamında toplu olarak yapılması ve sonucun değer haritalarında gösterilmesinin

* Corresponding author. Tel.: +90 542 476 24 57 E-mail address: tansualkan93@gmail.com (T. Özcan)

964

daha doğru bir yaklaşım olduğu söylenebilir. Ayrıca toplu değerleme ile değer istatistiklerinin alınması da sağlanabilmektedir [4].

Günümüzde yaygın olarak kullanılan üç tip değerleme yöntemi vardır. Bunlar; karşılaştırma yöntemi, gelir kapitalizasyon yöntemi ve maliyet yöntemidir [2]. Söz konusu değerleme yöntemleri dışında son yıllarda modern değerleme yöntemleri adı altında yapay sinir ağları, bulanık mantık, konumsal analiz ve destek vektör makineleri regresyonu gibi yöntemlerde kullanılmaya başlanmıştır. İstatistiki (stokastik) değerlemenin esasını, taşınmaz değeri ve taşınmaz kriterleri arasındaki sayısal ya da oransal bağıntılar ile matematiksel model oluşturmaktır. İstatistiki yöntemlere göre taşınmaz değerlemesinde en çok kullanılan yöntemler çoklu regresyon, hedonik yaklaşım ve nominal yöntem olarak sıralanabilir. İstatistiki değerleme yöntemleri, hem geleneksel hem de ileri değerleme yöntemlerinin içinde ifade edilebilen yöntemlerdir [5].

Ülkemizin mevcut ekonomik durumu da göz önüne alındığında bu konudaki çalışmaların daha sağlıklı bir sisteme oturtulması için yapılacak çalışmalara ek olarak bilgi teknolojilerinden faydalanmak, yapısı işleyişi gereği hemen hemen her sektörde rol alan CBS yardımıyla taşınmazların değerlemesi daha sağlıklı ve daha doğru sonuçlar ortaya çıkaracaktır.

Bilgi ve İletişim Teknolojileri’nin (BİT) hızlı gelişmesi ile insanların hayata bakış açıları, beklentileri ve amaçları, kısaca yaşam tarzlarında değişiklikler meydana gelmektedir. Toplumlar bilgi çağının getirilerinden mümkün olduğunca yararlanmanın, daha kaliteli yaşamanın ve temel gereksinimleri gidermenin yanı sıra hizmetlerin daha etkili ve verimli bir şekilde yerine getirilmesini talep eder duruma gelmişlerdir. İnternetin gündelik hayata girmesi ile bilgi dünyasındaki sınırlar kalkmış, bilginin paylaşımı ve yeni teknolojilerden haberdar olma durumu artmış, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler arasındaki bilgi açığı ve kaynaklardan yararlanma konusunda rekabet hızlanmıştır. İnsanoğlunun elindeki kıt kaynakları daha rasyonel yönetme yolundaki arayışları, bilgi teknolojileri üzerindeki araştırmalara daha da ivme kazandırmıştır. Bu gelişmelerin bir sonucu olarak sağlıklı ve sürdürülebilir kentsel gelişme için teknolojinin sunduğu imkânlardan yararlanmak gerek merkezi gerekse yerel yönetimler tarafından kaçınılmaz hale gelmekle kalmamış, teknolojiyi de kendi ihtiyaçlarına göre yönlendirmişlerdir [6].

CBS, konum referanslı her türlü verinin etkin kullanılması, bilgisayar ortamında depolanması, toplanması, işlenmesi, analiz edilmesi, değerlendirilmesi ve sunulması gibi fonksiyonları yerine getiren oldukça işlevsel bir yazılım olup, donanım ve insan faktörleriyle birleşmesiyle de etkin bir sistem oluşturmaktadır. CBS’yi CAD programlarından ayıran özellikleri mantıksal bağlantı kurulması (veri sistemine sahip olması), analiz yapması ve bilgi üretme fonksiyonlarının bulunmasıdır [7].

CBS’nin uygulama alanlarının gelişmesiyle bu teknoloji taşınmaz değerlemesinde de kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle kamuya ait taşınmazların derecelendirilmesi, kullanım planlaması ve yerleşilebilirlik analizleri ile değer haritalarının üretilmesinde sayısallaştırılmış altlıklar ve dolayısıyla CBS yaygın olarak kullanılabilmektedir. CBS, elde edilen grafik olmayan veriler ile grafik verileri birleştirmekte ve verileri görselleştirerek toplum hizmetine sunmaktadır. CBS teknolojisi ile taşınmaz değerleme yöntemleri entegre edildiğinde, taşınmazların değerleri objektif kriterler ışığında yüksek doğruluklarla tahmin edilebilmektedir [8].

Bu çalışmada Antalya ili Muratpaşa ilçesinde uygulanan değerleme çalışması için değer haritaları ve emlak endeksi analizleri oluşturulmuştur. Yapılan çalışmalar ile Belediye gelirlerinin arttırılması ve taşınmaz değerlerinin objektif kriterlerle hesaplanması, sistemin daha sağlıklı değerler ortaya çıkarması açısından fayda sağlayacaktır. CBS yardımıyla da değerleme sistemine farklı detaylar ve bakış açısı oluşturulması amaçlanmıştır.

2. TAŞINMAZ DEĞERİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER VE BU FAKTÖRLERİN PUANLANDIRILMASI

Taşınmazın değerini etkileyen faktörlerin ağırlıklarını belirlemek; objektif olarak yapılacak puanlama çalışmalarının ve anket çalışmalarının analiz edilmesiyle mümkündür. Ağırlıklandırma çalışmaları değerleme çalışmaları için oldukça önemli olup titiz ve objektif bir şekilde yapılmalıdır.

Taşınmazların kesin değerini hesaplamak mümkün değildir. Çünkü her taşınmaz pek çok farklı özelliğe sahip olmakla birlikte bu özelikler kişisel, nitel ve nicel olarak değişkenlik göstermektedir. Bu yüzden taşınmazın kesin değeri yerine tahmini değeri tespit edilebilir. Tespitleri yapabilmek için taşınmaza ait sübjektif ve objektif faktörler birbirinden bağımsız olarak değerlendirilmelidir. Taşınmazlara ait bu özellikler dikkatli bir şekilde sınıflandırılmalıdır.

2.1. Yasal Durum Yasal düzenlemeler, taşınmazın kullanım durumuna doğrudan etkileyen faktörlerden biridir. Kanun ve yönetmelikler taşınmazın ekonomik durumunu etkilediği için değerleme faaliyetlerinde dikkate alınması gereken bir konudur. Özellikle imar faaliyetleri arsa ve arazilerin durumunu etkileyebilir ve planlama

965

çalışmaları sonucu taşınmazın fonksiyonu değişebilir. Bu çalışmalar sonucu avantajlar ve dezavantajlar birlikte meydana gelebilir. Ayrıca yasal durum arazinin kullanılabilir alanına da belirler.

2.2. Parselin Şekli ve Büyüklüğü

Parselin şekli ve büyüklüğü yapılacak olan inşaat maliyetini etkiler. Parselin kırık köşe sayısı, kenarların girintili çıkıntılı olması, kısa veya uzun olması, parselin dar ve uzun bir yapıda olması inşaat alanını olumsuz etkilediği gibi ekonomik maliyeti de arttırır. Hatta bu olumsuz özellikler nedeniyle parseller, imar koşulları dikkate alındığında komşu parseller ile hukuksal ilişkilere girmek zorunda kalır ve parsel değeri olumsuz yönde etkilenir.

2.3. Kullanım Amacı

Taşınmazın değerini önemli derecede etkileyen bir faktördür. Öncelikle taşınmazın cinsi yani arsa ya da arazi tespiti yapılır. Daha sonra konut, ticari, tarım ve fabrika amaçlı kullanımı taşınmazın ekonomik bir göstergesi olduğu için taşınmaz üzerinde gerçekleştirilmesi hedeflenen faaliyetin ne derece uygulanabilir olduğu belirlenir [9].

2.4. Çevresel Özellikler

Taşınmazın bulunduğu doğal ve yapay faaliyetler birlikte değerlendirilir. Doğal faaliyetler olarak, taşınmazın bulunduğu topografya, ekolojik ve biyolojik hayat, bitki örtüsü ve taşınmazın kentsel ve kırsal alanda bulunması durumu incelenir [10]. Yapay faaliyetler ise, taşınmazın bulunduğu çevrede yapılan ve yapılacak yatırım ve hizmetler sonucunda kazandırılan alt ve üst yapı hizmetleri, sosyal, eğitim ve kültürel amaçlı donatılar, yaşam koşulları, ticari ve endüstriyel faaliyetler, nüfus yoğunluğu gibi özelliklerdir.

2.5. Malikler ve Komşuluk İlişkileri

Bu faktörlere örnek olarak çevrede yaşayan insanların yaşam tarzları, davranışları, komşuluk ilişkileri, maddi ve manevi durumları ve yasallara uymaları gibi özellikleri (çoğu sübjektif özellikler) sayılabilir.

2.6. Taşınmazın Konumu

Konum, bir taşınmazın değerini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Taşınmazın ulaşım ana yollarına ve kamusal donatı ve tesislere mesafesi taşınmaz değeri için oldukça önemlidir. AVM’lere, eğitim alanlarına, ibadethanelere, toplu taşıma noktalarına olan mesafeler uzunluk ve zaman cinsinden ayrı ayrı değerlendirilir. Taşınmazın konumunu etkileyen bu faktörler birlikte değerlendirilip taşınmaz değerine yansıtılır. Konum sadece mesafe olarak değerlendirilmemelidir. Taşınmazın konumunun merkezi olması her zaman taşınmazın değerine olumlu etki etmez. Taşıt trafiğinin fazla olduğu, gürültü, ses ve hava kirliliği etmenleri ayrı ayrı değerlendirilmelidir.

2.7. Ulaşım Olanakları

Nüfus ile birlikte doğru orantılı olarak artan gündelik insan hareketliliğinin ve şehirlerin plansız olarak büyümesinin sonucu olarak trafikte harcanan vaktin artması taşınmazların değerlerini de dolaylı olarak etkilemektedir. Kentsel ve kırsal alanlarda, erişim bazı bölgelerde oldukça kolay iken bazı bölgeler halk diliyle ‘ters, sapa’ kalkmaktadır. Bu deyiş bölgenin uzak olması yanında ulaşım olanaklarının da yetersiz olmasından dolayı ortaya çıkmıştır. Kentsel bazda bakılınca ulaşım olanaklarının çok olduğu bölgeler kentlerin merkezleridir ve karayolu, denizyolu, demiryolu ve metro sistemlerinin başarıyla entegre olduğu bölgelerin cazibesi artmaktadır. Bu imkânlar bölgede taşınmaz için değer farkındalığı yaratmaktadır.

2.8. Gürültü ve Ses Kirliliği Gelişmiş ülkelerde teknolojinin gelişmesiyle gürültü problemleri de ortaya çıkmış ve günümüzün önemli çevre sorunlarından biri haline gelmiştir. Ülkemizde henüz çok önemsenmeyen gürültü kirliliği insanların işitme duyusuna ve algısına olumsuz yönde etkisi olan ayrıca fizyolojik ve psikolojik dengeyi bozan, iş performansını düşüren, çevrenin huzurunu yok etme niteliği taşıyan bir kirlilik türüdür. Gelişmiş şehirlerdeki endüstriyel alanlar, yoğun trafiğin olduğu şehir merkezleri, havaalanları, demiryolları ve karayolları gürültü kaynaklarının başında gelmektedir. Söz konusu bölgelerde ikamet etmek insanlar üzerinde olumsuz etki bırakacağı gibi taşınmaz değerleri de bu konuda olumsuz etkilenmektedir.

966

3. CBS TABANLI TAŞINMAZ DEĞER HARİTALARI OLUŞTURULMASI VE ANTALYA – MURATPAŞA İLÇESİ ÖRNEĞİ

CBS’nin en önemli bileşenlerinden biri veridir. Grafik yapıdaki coğrafi veriler ile tanımlayıcı nitelikteki öznitelik veya tablo verileri gerekli kaynaklardan toplanabileceği gibi, piyasada bulunan hazır haldeki veriler de kullanılabilir. CBS konumsal veriyi diğer veri kaynaklarıyla birleştirebilir [11]. Belirli standartta verilerin toplanması, bilgisayar destekli kütlesel değerleme modelinin başarısının temel faktörüdür [12]. CBS teknolojisinin yaygınlaşması ve farklı disiplinlerce kullanımının artması disiplinler arası işbirliklerini de arttırmıştır. CBS destekli taşınmaz değerlerinin tespiti ile taşınmazlarla ilgili alım-satım, kiralama, kamulaştırma ve vergilendirme gibi birçok işlemde hızlı, doğru ve ekonomik çözümler sağlanacaktır.

3.1. Çalışma Alanı ve Uygulama

Muratpaşa, Antalya ilinin ilçelerinden biridir. İlçe kuzeyinde Kepez, doğusunda Aksu ve batısında ise Konyaalttı ilçelerine komşudur. Muratpaşa 8804 hektarlık bir alana kurulmuştur ve 20 kilometre sahil şeridine sahiptir. 2017 verilerine göre 488.670 nüfusa sahip olan ilçe, 56 mahalleden oluşmaktadır.

Şekil 1. Muratpaşa ilçesi konumu

Muratpaşa ilçesindeki 56 mahalleyi kapsayan bir nominal değerleme yöntemine göre taşınmaz değerlemesi yapılmış ve taşınmaz değer haritası oluşturulmuştur.

967

Şekil 2. Muratpaşa ilçesi imar planı

Taşınmaz değer haritalarının oluşturulmasına yönelik olarak Muratpaşa Belediyesinden 2018 yılına ait arsa metrekare (m2) birim değerleri alınmıştır. Her faktöre ait bir katsayısı belirlenmiş ve Kent Bilgi Sisteminde (KBS) bulunan CBS bölümünden 56 mahalleye ait grafik veriler kullanılmıştır. Yönetim Bilgi Sistemi bölümünden ise sözel veriler kullanılarak dış ortama aktarılmıştır. Veri tabanı yazılımı yardımı ile hazırlanan parsellere ilişkin emlak vergi değerleri, rayiç bedelleri ve değerleme tarihleri de sisteme girilerek ArcGIS programında grafik verilerle öznitelik veriler ilişkilendirilmiştir. Grafik verilere ilişkin topolojik ilişkiler kurularak grafik veriler sistemde sorgulamaya hazır hale getirilmiştir. Sonraki aşamada 56 mahallede son dönem emlak vergi değerleri ve rayiç değerleri belediyeden toplanmıştır. Ayrıca mahalle bazında m2 birim fiyatları küçükten büyüğe sıralanarak değer haritası oluşturulmuştur.

Şekil 3. Muratpaşa ilçesi mahalle bazında m2 birim fiyatları değer haritası

Bütün ağırlık katsayıları ve parsellerin rayiç değerleri belirlendikten sonra nominal değerleme yöntemine göre tablo hazırlanmıştır. Her taşınmazın değerini etkileyen faktörler için puanlama yapılmış ve puanlama yapılırken belediyede temin edilen rayiç bedeller göz önünde bulundurulmuştur.

Görüntüler ve veriler Google Earth’e atılmış ve Antalya ili Muratpaşa İlçesi Cumhuriyet Mahallesi ile Cumhuriyet Meydanı arasında ortalama rayiç fiyat 550 tl olarak bulunmuştur.

968

Şekil 4. Ortalama rayiç fiyat

4. SONUÇ VE ÖNERİLER

Taşınmaz değerleme çalışmaları ülkelerin ekonomik durumları açısından oldukça önemlidir. Günümüzde bu sektörün gelişmesi için çalışmalar devam ediyor olsa da gerek politikadaki gerekse mevzuattaki eksiklerden kaynaklı sorunlar yaşanmaktadır. Emlak vergilerinin eksik toplanması, haksız rant kazançları, taşınmazların değeri hakkında çelişkili sonuçlar doğrultusunda farklı spekülasyonlar doğmaktadır. Bu sorunların ortadan kaldırılması için devlet kurumlarınca değerleme uzmanları ve bu sektörde çalışmalar yapan şirketler daha sık denetlenmelidir.

Taşınmazın değerini belirlemede kullanılan metotlar bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle birlikte daha doğru ve hızlı çözümler sunmaktadır. Özellikle CBS’nin bu çalışmalara entegre edilmesiyle taşınmaz değerleri objektif şekilde hesaplanabilir hale gelmiştir. CBS kullanımı ile taşınmazlara ait verilerin güncellenmesi ve daha önceki tarihlerdeki değerlerinin hesaplanması oldukça kolaydır. Aynı zamanda üretilecek taşınmaz değer haritaları daha sonra yapılacak değerleme çalışmaları için bir altyapı olacaktır.

Son yıllarda birçok uygulama alanı bulan CBS ile mekana bağlı veriler ile analizler yapılabilmektedir. CBS kullanılarak taşınmaz değerlemesi üzerine bir sistem oluşturulabilir ve bu sistem adı altında yeni veri tabanları ve altlıklar oluşturularak taşınmazın değeri belirlenebilir ve analizler yapılabilir. Bu çalışmalar sonucunda taşınmazlardaki değer çelişkileri son bulacaktır. Kurum ve kuruluşlarca hesaplanan kamulaştırma bedelleri ile bilirkişilerce belirlenen bedellerdeki farklılıklar ortadan kalkacaktır. Ayrıca tüm taşınmazlar ile alakalı değerleme işlemlerinin bulunduğu il düzeyinde değerleme kurulları kurulmalı ve değerlemelerin teftişi bu kurumlarca incelenmelidir. Taşınmazlara dayalı uygulamalarda tescile esas haritalar oluşturulmalı ve bunlar gerekli görülen zaman aralıklarında güncellenmelidir. Böylelikle oluşturulan değer haritaları konut finansman sistemlerine altlık oluşturmalı, daha sağlıklı taşınmaz değerlemeleri yapılmalı ve güncel değer haritaları üretilmelidir.

KAYNAKLAR

[1] Yomralıoğlu, T., Nişancı, R., Çete, M., Candaş, E., 2011, Dünya’da ve Türkiye’de taşınmaz değerlemesi, Türkiye’de Sürdürülebilir Arazi Yönetimi Çalıştayı, 26‐27 Mayıs, Okan Üniversitesi, İstanbul.

[2] Erdem, N., 2017, Türkiye için Bir Taşınmaz Değerleme Sistemi Yaklaşımı, Geomatic Dergisi, Sayı 2(1); 21-22.

[3] Bender, A., Din, A., Favarger, P., Hoesli, M. ve Laakso, J., 1997, An Analysis Of Perceptions Concerning The Environmental Quality of Housing In Geneva, Urban Studies, 34, 3, 503-513.

[4] Çağatay U., Tecim, V,. 2013, Avrupa Birliği Sürecinde Taşınmaz Değerleme Bilgi Sistemi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, Cilt,15 Sayı,3. 375-393.

[5] Yalpır, Ş., 2007, Bulanık Mantık Metodolojisi İle Taşınmaz Değerleme Modelinin Geliştirilmesi ve Uygulaması: Konya Örneği, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Konya, 248 s.

[6] Bensghir, T.K., Akay, A., 2006, Bir Kamu Politika Aracı Olarak Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS): Türkiye’de Belediyelerin CBS Uygulamalarının Değerlendirilmesi, Çağdaş Yerel Yönetimler, Cilt 15 Sayı 1.

969

[7] Durduran, S.S., Özkan, G., Erdi, A., 2002, Kentsel Mekanlarda Taşınmaz Değerlendirme Amaçlı Coğrafi Bilgi Sistemi Uygulamaları, Selçuk Üniversitesi Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Öğretiminde 30.Yıl Sempozyumu, 16-18 Ekim 2002, Konya.

[8] Deveci, E., Yılmaz, İ., 2009, Coğrafi Bilgi Sistemleri Yardımıyla Taşınmaz Mal Değerlemesi: Afyonkarahisar İl Merkezi Örneği, Harita Teknolojileri Elektronik Dergisi, 1(1):33-47.

[9] Yomralıoğlu, T., 1997, Taşınmazların Değerlendirilmesi ve Kat Mülkiyeti Mevzuatı, JEFOD-Kentsel Alan Düzenlemelerinde İmar Planı Uygulama Teknikleri, Trabzon, s.153-169.

[10] Erbil, E. H., 2014, Taşınmaz Mal Değerleme Amaçlı Coğrafi Bilgi Sistemi Tasarımı, 5. Uzaktan Algılama-CBS Sempozyumu (UZAL-CBS 2014), 14-17 Ekim 2014, İstanbul.

[11] Yomralıoğlu, T., 2000, Coğrafi Bilgi Sistemleri Temel Kavramlar ve Uygulamalar, 1. Baskı, Seçil Ofset, İstanbul.

[12] Bagdonavicius A., Deveikis S., 2005, Individual and Mass Valuation – Present and Future Practices, FIG Working Week 2005 and GSDI-8, Cairo, Egypt.

970

Year-Ahead Wind Speed Forecasting using a Clustering-Statistical Hybrid Method

A.S. Dokuz1*, H. Demolli2, M. Gokcek3, A. Ecemis4

1Department of Computer Engineering, Nigde Omer Halisdemir University, Nigde, Turkey 2Faculty of Mechanical Engineering, University of Prishtina "Hasan Prishta", Prishtina, Kosovo

3Department of Mechanical Engineering, Nigde Omer Halisdemir University, Nigde, Turkey 4Department of Computer Engineering, Erciyes University, Kayseri, Turkey

Abstract The utilization of renewable energy sources in electricity generation is becoming important because of environmental and economic constraints. Renewable energy sources are gaining attention because of clean and cheap energy generation potential. Wind energy is one of the important and efficient renewable energy sources and wind energy generation is closely related to wind speed. To efficiently use wind power for energy generation, wind potential and forecasting of wind speed parameter should be extracted. However, modelling wind speed data is challenging due to irregular characteristic of wind speed data and needs complex methods to analyze such data. In the literature, statistical, artificial intelligence, and data mining methods are used to model wind speed data and to forecast wind speed behavior. In this study, to model wind speed data and to forecast potential behavior of wind speed, a data mining and statistical based hybrid method is proposed. Specifically clustering algorithm of DBSCAN and statistical model of ARIMA are combined to accurately forecast wind speed. The proposed method is run on 15-year of daily wind speed data of Pristina, Kosovo and the results are evaluated. The results show that using DBSCAN algorithm before ARIMA model increase forecasting performance and reduce RMSE.

Keywords: Renewable energy, wind energy, wind speed forecasting, data mining, DBSCAN, ARIMA.

1. INTRODUCTION

The utilization of renewable energy sources for electricity generation is becoming important in energy domain because of its cheap and environmentally green electricity generation feature [1, 2]. Renewable energy sources are continuous, have no damage to the environment, and do not need a processed source to generate energy. Most utilized renewable energy sources are wind, solar, biomass, and geothermal energy. To generate sufficient power from these sources, there should be enough energy generation capacity at specified location.

One of the most important and recently focused renewable energy source is wind energy that has a big potential in Turkey, especially at Aegean and Black Sea regions. To utilize wind energy, there should be enough wind speed at the location where the wind turbines will be planted. Because of the high installation costs of wind turbines, the location is analyzed based on its wind potential.

However, forecasting wind speed of many years ahead is challenging for several reasons. First of all, wind speed is dynamic in its nature and has a variability among years because wind speed data is affected by many meteorological conditions. Second, using only one analysis method have poor forecasting performance and hybrid methods are needed. Third, analysis methods have small horizons – i.e. from hours to a couple of weeks – and larger horizons are needed, such as year-wise forecasting of wind speed.

* Corresponding author. Tel.: +90 388-225-2482: fax: +90 388-225-0112. E-mail address: adokuz@ohu.edu.tr (A.S. Dokuz).

971

In the literature, several methods are employed to accurately forecast wind speed. Many of these methods use statistical methods, such as ARMA, and ARIMA. Machine learning based methods are also used for this purpose, such as, ANFIS, rule based systems and clustering. Limited number of studies take into account using a hybrid method which perform better than using only one method. Another important limitation of the literature is, many of the studies consider small time horizons to forecast wind speed, instead of months or year ahead wind speed forecasting.

In this study, to accurately forecast wind speed, a hybrid of clustering algorithm of DBSCAN and statistical model of ARIMA is integrated. First, DBSCAN algorithm is used to prune anomalous wind speed data from the original trend, and then ARIMA model is used to model wind speed for future projection. 15 years of daily wind speed data of Pristina, Kosovo is used. 14 years are employed as training set and final year is employed as test set. The results show that using clustering-statistical method decreases error rate of forecasted wind speed values.

The rest of this study is organized as follows. Section 2 presents related studies. Section 3 presents DBSCAN algorithm, ARIMA model and proposed clustering-statistical hybrid method. Section 4 presents experimental results of proposed hybrid method. Section 5 presents conclusions and future works.

2. RELATED WORKS

Wind speed forecasting is getting a popular study area because of the use of future wind speed data for power generation. To accurately forecast wind speed, several methods are employed, including statistical, artificial neural network, and hybrid methods.

In statistical wind speed forecasting, Lun and Lam [3], used Weibull distribution for three locations and 30-years of wind speed data and they observed two different groups of years. Firat et al. [4] proposed a statistical method based on independent component analysis (ICA) and autoregressive (AR) model. They concluded that ICA can be used as a preliminary step for wind speed forecasting with AR. Cadenas et al. [5] compared a univariate ARIMA model and a multivariate NARX model for forecasting wind speed.

In artificial neural network methods, Assareh et al. [6] used generalized regression neural networks, multilayer perceptron, and radial basis function neural networks for forecasting wind speed and showed that neural networks are capable of estimating wind speed data. Saberivahidaval and Hajjam [7] compared different neural networks for short term wind speed forecasting and resulted that Elman network showed best performance over other candidates. Petkovic [8] and Khosravi et al. [9] proposed fuzzy logic based methods for wind speed forecasting.

In hybrid methods, Shi et al. [10] compared two hybrid methods, namely ARIMA-ANN and ARIMA-SVM, with their single alternatives and concluded that using hybrid methods generally outperform single alternatives. Guo et al. [11] proposed a new hybrid method based on a back propagation neural network and the idea of eliminating seasonal effects from actual wind speed datasets using seasonal exponential adjustment and showed that using hybrid method perform better than back propagation neural network. Fei and He [12] proposed a hybrid method of ABC algorithm based relevance vector machine and wavelet decomposition and concluded that proposed hybrid method improve forecasting ability.

In this study, a hybrid of clustering-statistical method is proposed. Clustering algorithm of DBSCAN is used for removing noises from the dataset and statistical model of ARIMA is used for model extraction. By removing noises before model extraction, we aim to more efficiently model and more accurately forecast wind speed for a year.

3. METHOD

In this section, clustering algorithm of DBSCAN and ARIMA model are introduced, and then, proposed clustering-statistical method is presented.

3.1. DBSCAN Algorithm DBSCAN algorithm is one of the powerful clustering algorithms that is widely used in data mining and machine learning community. It is a density and neighborhood oriented algorithm. DBSCAN algorithm could both discover clusters of input dataset and anomalous data points that do not fit into one of the clusters. DBSCAN algorithm is a preferred clustering algorithm because it does not need to know number of clusters. DBSCAN algorithm has many application areas, such as computer vision, land cover detection, and meteorological parameter clustering.

DBSCAN algorithm uses two inputs, minimum number of points minPts and neighborhood distance epsilon eps. The points are checked whether they have at least minPts points inside eps distance. If a point satisfies these criterion, then the point and its neighbors are called as a cluster. By moving through all points, the dataset is clustered. The details of DBSCAN algorithm could be found in [13].

972

Fig. 1. DBSCAN algorithm point types [14]

Figure 1 presents point types that DBSCAN algorithm outputs. In the figure, minPts is defined as 5 and eps distance is shown in dotted circles. If a point does not satisfy minPts in eps distance, the point is defined as noise point. If a point has minPts number of neighbors in eps distance, the point is defined as core point. If a point does not have minPts number of neighbors, but is neighbor of a core point, then the point is defined as border point. In this study, DBSCAN algorithm is used to determine and prune noise points out of wind speed time series dataset.

3.2. ARIMA Model

ARIMA model is a statistical model that is used in forecasting time series datasets. In ARIMA model, future value of a variable is forecasted by using linear combinations of past observations and their errors. ARIMA model is a data-oriented model that could adapt the model on the structure of the data. The formulation of ARIMA model can be expressed as follows [15]:

qtqtttptpttt yyyy −−−−−− −−−−+++++= εθεθεθεϕϕϕθ ...... 221122110 (1)

In Formula (1), yt is the actual value and ɛ t is the error at t, φ i and θ j are the coefficients, p and q are autoregressive and moving average polynomials. With respect to the formula, ARIMA model forecasts future several steps of a given time series input.

ARIMA model can be adopted to handle seasonality that meteorological parameters have. For using seasonality, ARIMA(p, d, q) is converted to ARIMA(p, d, q)(P, D, Q)m where m is the number of periods in each season and P, D, Q refer to autoregressive, differencing, and moving average terms for the seasonal part of the ARIMA model.

In this study, seasonal ARIMA model is used because of the seasonality feature of wind speed data. ARIMA(3, 1, 3)(0, 3, 2)30 and ARIMA(3, 1, 3)(0, 3, 2)90 models are preferred. p, d, q, P, D, and Q parameters are experimentally selected to provide better performance.

3.3. Clustering-Statistical Hybrid Method In this study, a hybrid of clustering and statistical method is proposed to more efficiently forecast future values of wind speed data. First, clustering is applied on the dataset and noise points are excluded from the time series, and then ARIMA model is applied on resulting time series data to extract a model and forecast future wind speed values. The pseudo-code of proposed method is presented in Algorithm 1.

Algorithm 1. Clustering-Statistical Hybrid Method Inputs:

D: Wind speed dataset eps: Neighborhood distance minPts: Minimum number of points period: Number of periods in each season

Output: One year daily wind speed forecast values 1. denoisedDataset = DBSCAN(D, eps, minPts) 2. model = ARIMA(denoisedDataset, period) 3. forecastVal = fit(model, 365) 4. return forecastVal

In Algorithm 1, wind speed dataset, DBSCAN algorithm and ARIMA model parameters are given as inputs and one year of daily wind speed forecast values are outputted from the algorithm. At step 1, DBSCAN algorithm is run and noises are removed from the dataset. At step 2, ARIMA model is generated with denoised dataset and seasonality period. At step 3, forecast values of 365 days of ARIMA model are obtained and at step 4, forecastVal vector is outputted.

973

4. EXPERIMENTAL EVALUATION

In this section, proposed method is experimentally evaluated. First the dataset is explained, and then the error rates of the proposed hybrid method and only ARIMA model is presented. The experiments are conducted using Java and R programming languages. The experiments are performed on Intel i7 CPU with 3.40 GHz, and 8 GB of RAM. The experimental setup is presented in Figure 2.

PreprocessWind Speed Dataset Results

-eps-minPts

DBSCAN

Noise Removal

ARIMA

-period

Forecasting

Fig. 2. Experimental setup

4.1. Dataset

The dataset consists of hourly observations of wind speed data from a wind observation station at Pristhina, Kosovo for the years from 2003 to 2017. The data for each year have 8760 observations, each of them correspond to an hour. A total of 131.400 observations are present in the dataset for 15-year period.

4.1.1. Preprocess

Actual dataset consists of hourly wind speed observations of 15 years. In this study, hourly wind speed data is converted to daily values. Each year of the dataset is split into 365 parts, each of them has 24 sequential observations. Wind speed data of each day is obtained by taking average of these sequential observations. After converting to daily values, the dataset has 5475 observations for 15-year period. The dataset split into two parts, training and test sets. 14 year of wind speed observations are selected as training set and final year is selected as test set to reveal forecast errors.

4.2. Experimental Results

In this section, the results of proposed hybrid method and only ARIMA model are presented. The methods are evaluated using RMSE of forecasted wind speed values and actual wind speed values of final year. Table I presents error rates of methods based on seasonality period of 30 and 90-days. DBSCAN algorithm is run with several eps and minPts values and the configurations are presented at the table.

Table I. RMSE values of 30 and 90-day seasonality period.

Clustering Parameters RMSE

30-day 90-day

eps=2, minPts=4 1.32 1.22

eps=2, minPts=8 1.16 1.26

eps=2, minPts=12 1.13 1.21

eps=2, minPts=16 1.27 1.23

eps=3, minPts=4 1.23 1.26

eps=3, minPts=8 1.15 1.3

eps=3, minPts=12 1.21 1.17

eps=3, minPts=16 1.33 1.2

No Clustering 1.44 1.32

As can be seen in the table, denoising the dataset using DBSCAN algorithm before ARIMA model could decrease RMSE significantly up to 20%. Also, eps and minPts values change effect of decreasing RMSE. For 30-day period, when eps value is set at 2, best result is observed at minPts value of 12. When eps value is set at 3, minPts value of 8 is the best result. For 90-day period, eps value of both 2 and 3 are best combined with minPts value of 12.

974

5. CONCLUSIONS

Renewable energy sources are getting more popular because of their green, cheap, and resource-free features. However, not every location is suitable for renewable energy sources. To efficiently generate energy from renewable energy sources, the plant site should be analyzed whether there is a potential for the renewable energy type. In this study, wind speed data forecasting is performed using a hybrid of clustering and statistical methods to more efficiently and accurately forecast future values of wind speed. In contrast to the literature, in this study, we tried to forecast one-year wind speed. To more accurately forecast wind speed behavior, we first removed noises from the actual data using DBSCAN clustering algorithm, and then built a model using ARIMA model. The results showed that, using hybrid of DBSCAN and ARIMA provide better performance than using only ARIMA model for one-year ahead forecasting of wind speed data.

For future studies, we are planning to extend this study with using more analyses of both clustering and statistical model parts. Also, other clustering algorithms are candidates of DBSCAN. Another future application is using proposed hybrid method on several locations and discover best location for a wind farm. Finally, other renewable energy sources, such as solar energy, could be forecasted using proposed method.

REFERENCES [1] J. Jung and R. P. Broadwater, "Current status and future advances for wind speed and power forecasting," Renewable

and Sustainable Energy Reviews, vol. 31, pp. 762-777, 2014/03/01/ 2014. [2] M. Lei, L. Shiyan, J. Chuanwen, L. Hongling, and Z. Yan, "A review on the forecasting of wind speed and generated

power," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, pp. 915-920, 2009/05/01/ 2009. [3] I. Y. F. Lun and J. C. Lam, "A study of Weibull parameters using long-term wind observations," Renewable Energy,

vol. 20, pp. 145-153, 2000/06/01/ 2000. [4] U. Firat, S. N. Engin, M. Saraclar, and A. B. Ertuzun, "Wind Speed Forecasting Based on Second Order Blind

Identification and Autoregressive Model," in 2010 Ninth International Conference on Machine Learning and Applications, 2010, pp. 686-691.

[5] E. Cadenas, W. Rivera, R. Campos-Amezcua, and C. Heard, "Wind Speed Prediction Using a Univariate ARIMA

Model and a Multivariate NARX Model," Energies, vol. 9, p. 109, 2016. [6] E. Assareh, M. A. Behrang, M. Ghalambaz, A. R. Noghrehabadi, and A. Ghanbarzadeh, "An Analysis of Wind Speed

Prediction Using Artificial Neural Networks: A Case Study in Manjil, Iran," Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 34, pp. 636-644, 2012/02/13 2012.

[7] M. Saberivahidaval and S. Hajjam, "Comparison between performances of different neural networks for wind speed

forecasting in Payam airport, Iran," Environmental Progress & Sustainable Energy, vol. 34, pp. 1191-1196, 2015. [8] D. Petković, "Adaptive neuro-fuzzy approach for estimation of wind speed distribution," International Journal of

Electrical Power & Energy Systems, vol. 73, pp. 389-392, 2015/12/01/ 2015. [9] A. Khosravi, R. N. N. Koury, L. Machado, and J. J. G. Pabon, "Prediction of wind speed and wind direction using

artificial neural network, support vector regression and adaptive neuro-fuzzy inference system," Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 25, pp. 146-160, 2018/02/01/ 2018.

[10] J. Shi, J. Guo, and S. Zheng, "Evaluation of hybrid forecasting approaches for wind speed and power generation time

series," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, pp. 3471-3480, 2012/06/01/ 2012. [11] Z.-h. Guo, J. Wu, H.-y. Lu, and J.-z. Wang, "A case study on a hybrid wind speed forecasting method using BP neural

network," Knowledge-Based Systems, vol. 24, pp. 1048-1056, 2011/10/01/ 2011. [12] S.-w. Fei and Y. He, "Wind speed prediction using the hybrid model of wavelet decomposition and artificial bee

colony algorithm-based relevance vector machine," International Journal of Electrical Power & Energy Systems, vol. 73, pp. 625-631, 2015/12/01/ 2015.

[13] M. Ester, H.-P. Kriegel, #246, r. Sander, and X. Xu, "A density-based algorithm for discovering clusters a density-

based algorithm for discovering clusters in large spatial databases with noise," presented at the Proceedings of the Second International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, Portland, Oregon, 1996.

[14] A. Amini, T. Y. Wah, and H. Saboohi, "On Density-Based Data Streams Clustering Algorithms: A Survey," Journal of Computer Science and Technology, vol. 29, pp. 116-141, January 01 2014.

[15] G. E. P. Box and G. Jenkins, Time Series Analysis, Forecasting and Control: Holden-Day, Inc., 1990.

975

Some Properties of Marmelate Produced From White and Black Mulberry

C. Kaya1*, S. Topuz1, M. Bayram1

1Department of Food Engineering, Tokat Gaziosmanpaşa University, Engineering and Natural Sciences Faculty, City, Tokat, Turkey

Abstract In this study, it was aimed to increase the usage area of mulberry by processing the fruits of different mulberry varieties, which are produced in significant quantities in our country and consumed mostly as fresh fruits, to convert them into higher value added products such as marmelade and to determine the product characteristics. In the study, white mulberry (Morus alba) and black mulberry (Morus nigra) fruits grown in Turhal province of Tokat were processed to pectin added or pectin-free marmalade. Some physical and chemical properties of the products obtained in the study were determined. The samples were also sensory evaluated. In the white and black mulberry marmalade samples produced in the study, soluble solid dry matter; 61.25-63.88 ºBriks, pH value; 3.34-3.50, titration acidity value was; 0.49-0.61% the total dry matter value; 65.33-69.40%, L, a, b values are; 17.58-24.50, 0.77-1.82, 1.44-7.23, the total amount of phenolic substances; 265.50-1065.28 mg GAE/kg, the amount of monomeric anthocyanin; 104.90-150.79 mg/kg were determined. According to sensory evaluations, the most popular marmalade sample was black mulberry marmelade (KMP) produced by adding pectin. The sample of marmalade with the highest amounts of phenolic compounds and anthocyanins (1065.28 ± 97.15 mg GAE / kg and 150.79 ±3.10 mg / kg) was pectin-free black mulberry marmelade (KMN).

Keywords: Black mulberry, white mulberry, marmalade, phenolics.

1. GİRİŞ

Meyveler en önemli gıda kaynaklarından birisidir. Gerek ekolojik şartlar gerekse coğrafi koşullarından dolayı Türkiye meyveciliğe oldukça elverişlidir. Dolayısıyla dut yetiştiriciliği için de oldukça elverişlidir [1].

Dut, farklı iklim ve toprak şartlarına adapte olabilen bir türdür. Bu sebeple tropik, subtropik ve ılıman iklim şartlarında yetişebilmektedir. Dut, Urticales takımının oraceae familyasının Morus cinsine aittir. Özellikle Asyanın güneydoğusu, doğu ve batısında, Avrupanın güneyinde, Kuzey Amerika’nın güneyinde, Güney Amerika’nın kuzeybatısında ve Afrikanın belli başlı bazı bölgelerinde dut yetiştiriciliğine rastlanmaktadır. Dut meyvesi ağaçsı bir bitkinin meyvesidir. Dutgiller (Moraceae) familyasındandır ve M. australis, M. bombycis M. ihou, M. kagayamae, M. latifolia, M. multicaulis, M. nigra (karadut), M. rubra (kırmızı dut), Morus alba (beyaz dut), gibi türlerinin yaprak ve meyveleri için yetiştiriciliği yapılmaktadır[2]1 .

Türkiye’de dut yetiştiriciliği oldukça yaygındır ve Türkiye’de dut yetiştiriciliğine özellikle de karadut yetiştiriciliğine ilginin giderek arttığı görülmektedir. Türkiye’de dut meyvesinin üretimi 2013 yılında 62 879 ton iken, 2017 verilerine göre 74 383 tona yükselmiştir. Bunun %95’ini beyaz dut, kalan %5’ini de kırmızı ve karadut oluşturmaktadır[3].

Meyve ve sebzeler antioksidan vitamin ve mineraller, fenolik maddeler ve karotenoidler bakımından oldukça zengin gıdalardır. Bu sayede antioksidan aktiviteleri oldukça yüksektir [4]. Dünyada genelinde son yıllarda antioksidan kapasitesinin yüksek olması sebebiyle antosiyanin ve fenolik bileşikler bakımından zengin üzümsü meyvelerin ve bu meyvelerin ürünlerinin tüketiminde ve üretiminde önemli oranda artış görülmüştür [5,6].

1Corresponding author. Tel.: +90 356-252-1800/2882: fax: +90 356-252-1729. E-mail address: cemal.kaya@gop.edu.tr (C.Kaya)

976

Beyaz dut ve karadut meyvelerinde kuru maddenin yaklaşık olarak % 80-90’lik bir kısmının şekerlerden oluşmaktadır. Ayrıca karadut fenolik madde içeriği (354.5 mg/100g) bakımından ve askorbik asit bakımından da oldukça zengin meyvedir[7] .

Polifenoller oldukça kuvvetli antioksidanlardandır. Karadut özellikle fenolik asitler ve flavonoidleri önemli oranda içermektedir. Flavonoidler içerisinde antosiyaninler oldukça önemli bir bölümü oluştururlar [8].

Antosiyaninler meyvelere renk (mor, siyah, mavi, kırmızı) veren pigmentlerdir ve antikanserojen bileşikler olduğu bilinmektedir. Klinik ve laboratuvar çalışmalarında dut, ahududu ve çilek gibi üzümsü meyvelerin içerdiği antosiyaninlerin ve fenolik bileşiklerin tümörlerin tedavisinde etki gösterdiği bilinmektedir [9].

Yapılan çalışmalarda antioksidan madde içeriği bakımından zengin olması sebebiyle fermente olmuş veya taze dut meyvelerinin tüketiminin yararlı olabileceği bildirilmiştir. Geleneksel tıpta dut meyvelerinden romatizma ağrılarının, diyabetin, kansızlığın, hipertansiyonun ve ağızda oluşan yaraların tedavisinde de yararlanıldığı belirtilmektedir [10,11, 12].

Özellikle karadut meyveleri fenolik bileşenler ve antosiyaninlerce zengindir. Karadut meyvesinin toplam fenolik madde içeriği 2650 mg GAE/L ve monomerik antosiyanin içeriği ise 2233 mg/L’dir [8].

Dut meyveleri içerdikleri fenolik bileşikler, antosiyaninler ve mineral maddeler bakımından değerli meyvelerdir. Ancak dut meyveleri raf ömürleri kısa olup, yıkanmadan buzdolabında sadece birkaç gün muhafaza edilebilmektedir. Bu yüzden pazar için elverişli bir meyve değildir. Meyve ve sebze işleme sanayinde, taze ürünlerin kolaylıkla bozulabilmesi sebebiyle hasat sonrasında bu ürünlerin ivedilikle dayanıklı hale getirilmesi amaçlanmaktadır Türkiye’de ve dünyada dut meyveleri endüstriyel olarak sınırlı düzeyde işlenmektedir. Daha çok geleneksel yöntemlerle kurutularak kuru meyve veya pekmez üretiminde kullanılmaktadır. Bunun yanısıra ticari olarak dondurularak reçel, meyve suyu, dondurma ve meyveli yoğurt üreten firmalarca değerlendirilmektedir [13, 14,15].

Türk Gıda Kodeksi’ne göre marmelat; Turunçgil meyvesinden elde edilen pulp, püre, meyve suyu, sulu ekstraktları ve kabuklarının tek başına veya karıştırılarak, su ve şekerlerle uygun jel kıvamına getirilmiş karışımını ifade etmektedir. Geleneksel marmelat ise; Meyve pulpu, püre, meyve suyu ve sulu ekstraktlarının veya bitkilerin kök, yaprak, çiçek gibi yenilebilen kısımlarının gerektiğinde şekerler ve su ilave edilerek sürülme kıvamına getirilmiş karışımını ifade etmektedir [16].

Türk Gıda Kodeksi’ne göre; 1 kg geleneksel marmelatın üretimi için kullanılacak olan meyve püresi, pulpu, suyu ya da sulu ekstraktları miktarının 450 g’dan az olamayacağı ve suda çözünür kuru madde içeriğinin (refraktometre) %55’den az olamayacağı ve pH: 2.6-3.5 arasında olması gerektiği belirtilmektedir [16].

Bu çalışmada ülkemizde önemli miktarda üretilen ve büyük kısmı taze meyve olarak tüketilen farklı dut çeşitlerine ait meyvelerin marmelata işlenerek dutun kullanım alanının arttırılması, katma değeri yüksek ürünlere işlenmesi ve ürün özelliklerinin belirlenmesi olanaklarının araştırılması amaçlanmıştır.

2. MATERYAL VE YÖNTEM

2.1. Materyal Araştırmada kullanılan beyaz dut ve karadut meyveleri tam olgunluk döneminde haziran-temmuz aylarında Tokat’ın Turhal ilçesindeki bir yetiştiriciden temin edilmiş ve Gaziosmanpaşa Üniversitesi Gıda Mühendisliği Laboratuvarında derin dondurucuda -18°C’de çalışma başlayıncaya kadar muhafaza edilmiştir.

Marmelat üretiminde kristal toz şeker, Merck marka sitrik asit, ve esterifikasyon derecesi (DE) %65-70 düzeyinde olan orta hızda jelleşen turunçgil pektini (pectin 44 classic CF 307, Herbstreith&Fox KG, Almanya) kullanılmıştır. Çalışmada üretilen ürünlerin ambalajlanmasında 660 cc’lik contalı twist-off kapaklı cam kavanozlar (Şişecam, Türkiye) kullanılmıştır. Ürünlerin üretiminde içilebilir nitelikteki musluk suyu kullanılmıştır.

2.2. Yöntem

2.2.1. Marmelat Üretimi

Dut meyveleri Tablo I’deki reçeteye uygun olarak marmelata işlenmiştir. Beyaz dut ve karadutlar laboratuvar tipi blender ile pulp haline getirilmiştir. Reçetede belirtilen miktarlarda Beyaz dut pulpu (BP) veya Karadut pulpu (KP), şeker ve su pişirme kazanına ilave edilmiş ve açık kazanda pişirme işlemi gerçekleştirilmiştir. Kazan içeriği kaynamaya başladıktan 10-12 dk sonra pektin ilaveli reçete için 4 katı şekerle karıştırılmış pektin ilave edilmiştir. Suda çözünür kurumadde (SÇKM) 55 ºBriks düzeyine geldiğinde pH’ı 2.8-3.5 aralığına getirmek için sitrik asit çözeltisi ilave edilmiştir. SÇKM 60 ºBriks düzeyine geldiğinde ise pişirme işlemi sonlandırılmış ve ürünlerin kavanozlara sıcak olarak dolumu gerçekleştirilmiştir.

977

Tablo I. Dut marmelatı reçetesi.

BİLEŞENLER PEKTİN İLAVESİZ %0.5 PEKTİN İLAVELİ

Dut pulpu (g) 600 600

Şeker (g) 600 600

Su (ml) 100 100

Pektin (g) - 6

%25’lik Sitrik Asit Çözeltisi (mL)

25 25

Çalışmada, pektin ilavesiz beyaz dut marmelatı (BMN), pektin ilaveli beyaz dut marmelatı (BMP), pektin ilavesiz karadut marmelatı (KMN), pektin ilaveli karadut marmelatı (KMP) olmak üzere 4 farklı marmelat 2 tekerrürlü olarak üretilmiştir.

2.2.2. Analiz Yöntemleri

Dut pulpları ile bu pulplardan üretilen marmelat örneklerinde aşağıda belirtilen analizler uygulanmıştır.

Suda Çözünür Kuru Madde Tayini

Beyaz dut ve karaduttan üretilen pulplar ve marmelatlar tülbent ile süzüldükten sonra Dijital Refraktometre (Hanna HI. 96801) ile ölçümleri yapılmış ve °Briks cinsinden ifade edilmiştir [17].

pH Tayini

Beyaz dut ve karaduttan üretilen pulplar ve marmelatların her birinden 10 g alınmış ve 25 mL’ye saf su ile seyreltilmiştir. Daha sonra pH metrenin cam elektrodu (İnoLab marka) örneğe daldırılarak okuma yapılmıştır [17].

Titrasyon Asitliği Tayini

Beyaz ve karadut pulpları, ve marmelatlarının her birinden 10 gram örnek alınıp 25 mL’ye saf su ile seyreltildikten sonra homojen hale getirilmiştir. İnoLab marka pH metre yardımıyla pH 8,1’e ulaşıncaya kadar 0,1 N NaOH ile titre edilmiştir. Sonuçlar sitrik asit cinsinden % (g/100g) olarak hesaplanmıştır [17].

Toplam Kuru Madde Tayini

Kuru madde tayini AACC 44-15A metoduna göre gravimetrik olarak yapılmış ve sonuçlar %(g/100g) olarak ifade edilmiştir [17].

Su Aktivitesi(aw) Tayini Örneklerin su aktivitesi değerleri AQUA LAB su aktivitesi tayin cihazında ölçülmüştür.

Kül Tayini Sabit ağırlığa getirilen krozelerin içlerine hazırlanan örneklerden 3 g tartılıp, protherm furnaces marka kül fırınında örnekler 550±25 ºC’de tamamen beyaz renkli kül elde edilinceye kadar 6-8 saat yakılmış ve sonuçlar % (g/100g) olarak verilmiştir [17].

Renk Tayini

Örneklerin renk (L a b) değeri Chroma Meter CR- 300 minolta renk ölçüm cihazı ile tayin edilmiştir [17] .

Toplam Fenolik Madde (TFM) Miktarı Tayini

Toplam fenolik madde (TFM) miktarı Folin-Ciocalteu yöntemine göre spektrofotometre (T80 + Uv/Vıs Spectrometer) ile örneklerin absorbanslarının ölçülmesiyle belirlenmiştir Örneklerin absorbansına karşılık gelen TFM miktarı, gallik asit kullanılarak çizilen standart grafikten yararlanılarak hesaplanmış ve mgGAE/kg olarak ifade edilmiştir [18].

Monomerik Antosiyanin (MA) Miktarı Tayini

Monomerik antosiyanin (MA) miktarı analizi Fuleki ve Francis (1968) tarafından tanımlanan pH diferansiyel yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. MA miktarı mg siyanidin-3-glikozid/kg cinsinden belirlenmiştir [19, 20].

978

Duyusal Değerlendirme

Çalışmada üretilen marmelat örneklerinin duyusal analizleri Gaziosmanpaşa Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümünden 10 öğretim elemanının katılımı ile gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan tüm marmelat örnekleri 10 aralıklı hedonik test(1=çok kötü, 10=çok iyi) ile katılımcılar tarafından değerlendirilmiştir. Duyusal değerlendirmede görünüş, renk, koku, tekstür, tat ve lezzet, akışkanlık özellikleri değerlendirilmiştir [21].

3. BULGULAR VE TARTIŞMA Çalışmada materyal olarak kullanılan beyaz dut ve karadutlar ile bu dutlardan üretilen marmelatlara uygulanan analizler sonucunda elde edilen bulgular aşağıda sırasıyla verilmiş ve tartışılmıştır.

3.1. Çalışmada Kullanılan Beyaz Dut ve Karadut Pulplarının Bazı Fiziksel ve Kimyasal Özelikleri

Çalışmada kullanılan beyaz ve karadutların bazı özellikleri Tablo II’de verilmiştir. Beyaz dut ve karadut pulplarının SÇKM, pH, titrasyon asitliği, toplam kurumadde değerleri Beyaz dut için sırasıyla 14.33±0.24°Briks, 6.36±0.04, %0.06±0.01, %14.54±0.34 ve karadut için 15.05±0.07°Briks, 5.60±0.02, %0.14±0.01, %17.17±0.02 olarak belirlenmiştir. [22] Ercişli ve Orhan (2007) yaptıkları çalışmada SÇKM, pH, Titrasyon asitliği ve Toplam kurumadde değerlerini beyaz dut için sırasıyla 20.4°Briks, 5.6, %0.25, %29.5 karadut için ise sırasıyla 16.7°Briks, 3.52, %1.4, %27.4 olarak belirlemiştir.

Tablo II. Çalışmada kullanılan beyaz dut ve karadut pulplarının özellikleri

ÖZELLİKLER BP KP

SÇKM ( °Briks) 14.33±0.24 15.05±0.07

pH 6.36±0.04 5.60±0.02

Titrasyon asitliği (%) 0.06±0.01 0.14±0.01

Toplam kurumadde (%) 14.54±0.34 17.17±0.02

Su aktivitesi (aw) 0.98±0.01 0.98±0.01

Kül (%) 0.25±0.01 0.14±0.01

L değeri 92.65±2.46 13.54±0.96

a değeri 0.66±0.43 1.31±0.11

b değeri 21.4±2.51 0.82±0.5

TFM (mg GAE/kg) 122.30±9.04 386.50±16.39

MA (mg/kg) Belirlenemedi 179.78±14.58

Bulgular değerlendirildiğinde; çalışmada kullanılan beyaz dut pulpunun SÇKM, Titrasyon asitliği ve toplam kurumadde sonuçları [22] Ercişli ve Orhan (2007)’ın bulgularından daha düşük olduğu görülmüştür. pH değerleri kıyaslandığında ise çalışmada kullanılan beyaz dut pulpunun pH değerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Karadutla ilgili bulgular kıyasladığında ise SÇKM’nin birbirine yakın olduğu, Titrasyon asitliği ve Toplam kuru madde değerlerinin ise [22] Ercişli ve Orhan (2007)’ın bulgularından düşük olduğu görülmüştür. Yine pH değerleri kıyasladığında çalışmada kullanılan karadut pulpunun pH değerinin daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.

Çalışmada kullanılan beyaz dut ve karadut pulplarının Kül, L, a, b değerleri; beyaz dut için sırasıyla %0.25±0.01, 0.92±2.46, 0.66±0.01, -2.14±2.51 ve karadut için %0.14±0.01, 13.54±0.96, 1.31±0.11, 0.82±0.5 olarak belirlenmiştir. [5]Tokbaş (2009) ise yaptığı çalışmada karadut için kül, L, a ve b değerlerini sırasıyla %0.89, 17.29, 15.80 ve 5.25 olarak belirlemiştir. Bulgulardaki farklılıkların her iki çalışmada kullanılan beyaz dut ve karadut pulplarının farklı yöre, yıl, hasat zamanı ve olgunluk zamanlarında elde edilmiş olmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir.

Çalışmada kullanılan beyaz dut ve karadutta TFM miktarı beyaz dut için 122.30±9.04 mg GAE/kg karadut için 386.50±16.39 mg GAE/kg olarak belirlenmiştir. [23] Uzun ve Bayır (2010) yürüttükleri bir çalışmada karadutta TFM miktarını 456.13-477.13 mg GAE/kg aralığında belirlemişlerdir. [5] Tokbaş (2009) ise karadutta TFM miktarını 2274,99 mg GAE/kg, MA miktarını 628.75 mg/L olarak belirlemiştir. Çalışmada

979

kullanılan beyaz dut pulplarında MA belirlenemezken karadutta 179.78±14.58 mg/L olarak belirlenmiştir. TFM ve MA miktarlarına ilişkin bulgular arasındaki farklılığın meyvelerin olgunluk durumu, yetiştirildiği yıl ve yöre farklılığından kaynaklanabileceği düşünülmektedir.

3.2. Beyaz Dut ve Karadut Marmelatlarının Bazı Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Çalışmada üretilen beyaz ve karadut marmelatlarının bazı fiziksel ve kimyasal özelliklerine ilişkin bulgular Tablo III’te verilmiştir.

Tablo III. Beyaz dut ve karadut marmelatlarının bazı özellikleri.

ÖZELLİKLER BMN BMP KMN KMP

SÇKM (°Briks) 61.35±1.82 61.25±1.05 63.85±1.15 63.88±1.40

pH 3.45±0.04 3.34±0.04 3.40±0.02 3.50±0.06

Titrasyon asitliği (%) 0.61±0.02 0.58±0.04 0.49±0.02 0.50±0.02

Toplam kurumadde (%) 65.33±3.52 66.33±1.68 66.45±2.53 69.40 ±2.99

Su aktivitesi 0.87±0.01 0.86±0.01 0.86±0.01 0.85±0.01

Kül (%) 0.20±0.01 0.25±0.01 0.11±0.01 0.12±0.01

L değeri 24.50±0.61 23.86±0.62 17.58±0.23 17.59±0.07

a değeri 0.77±0.24 0.94±0.13 1.82±0.76 1.44±0.76

b değeri 7.04±0.42 7.23±0.46 1.44±0.76 1.56±0.38

TFM (mg GAE/kg) 265.50±33.07 288.75±43.36 1065.28±97.15 962.63±57.90

MA (mg/kg) Belirlenemedi Belirlenemedi 150.79±3.10 104.90±1.06

Çalışmada pektin ilavesiz beyaz dut marmelatında (BMN) SÇKM, pH, Titrasyon asitliği, toplam kurumadde, su aktivitesi, kül, L, a, b, TFM değerleri sırasıyla 61.35±1.82°Briks, 3.45±0.04, %0.61±0.02, %65.33±3.52, 0.87±0.01, %0.20±0.01, 24.50±0.61, 0.77±0.24, 7.04±0.42, 265.50±33.07 mg GAE/kg olarak belirlenmiştir. Pektin ilaveli beyaz dut marmelatında (BMP) ise SÇKM, pH, Titrasyon asitliği, toplam kurumadde, su aktivitesi, kül, L, a, b, TFM değerleri sırasıyla 61.25±1.05°Briks, 3.34±0.04, %0.58±0.04, %66.33±1.68, 0.86±0.01, %0.25±0.01, 23.86±0.62, 0.94±0.13, 7.23±0.46, 288.75±43.36 mg GAE/kg olarak belirlenmiştir. Pektin ilavesiz karadut marmelatında (KMN) SÇKM, pH, Titrasyon asitliği, toplam kurumadde, su aktivitesi, kül, L, a, b, TFM, MA değerleri sırasıyla 63.85±1.15°Briks, 3.40±0.02, %0.49±0.02, %66.45±2.53, 0.86±0.01, %0.11±0.01, 1.82±0.76, 1.44±0.76, 1065.28±97.15 mg GAE/kg, 150.79±3.10 mg/kg olarak belirlenirken, pektin ilaveli karadut marmelatında (KMP) sırasıyla 63.88±1.40°Briks, 3.50±0.06, %0.50±0.02, %69.40 ±2.99, 0.85±0.01, %0.12±0.01, 17.59±0.07, 1.44±0.76, 1.56±0.38, 962.63±57.90 mgGAE/kg, 104.90±1.06 mg/kg olarak belirlenmiştir.

[5] Tokbaş (2009) yaptığı çalışmada %0.5 pektin ilavesiyle üretilen karadut marmelatında pH, SÇKM, Titrasyon asitliği, Kül, L, a, b değerlerini belirlemiştir. Bu değerler sırasıyla 3.56, 68.61 ºBriks, 1.12g/100g, 0.35g/100g, 21.38, 2.38, 0.54 olarak belirlenmiştir. Yine aynı çalışmada 0.5 pektin ilaveli karadut marmelatlarında TFM ve MA miktarlarını sırasıyla 2156.99 mgGAE/kg, 73.45 mg/kg olarak belirtilmiştir. Bulgulardaki farklılıkların, çalışmalarda kullanılan hammaddelerin bileşimlerinin, olgunluk düzeylerinin ve üretim yıllarının farklı olmasından kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir.

3.3. Beyaz Dut ve Karadut Marmelatlarının Duyusal Özellikleri

Çalışmada beyaz dut ve karaduttan üretilen marmelatların duyusal özelliklerine ilişkin bulgular Tablo IV’te verilmiştir. Çalışmada üretilen beyaz dut ve karadut marmelatlarının duyusal değerlendirme sonuçlarına bakıldığında; karaduttan üretilen marmelatlar beyaz duttan üretilen marmelatlara göre daha çok tercih edilmiş olup, görünüş, renk, koku, tat ve lezzet bakımından pektin ilaveli karadut marmelatı (KMP) panelistler tarafından en çok beğenilen ürün olmuştur. Ayrıca, genel değerlendirmede (7.9±1.10) ve genel toplamda (47.4) da en yüksek puanı aynı marmelat örneği (KMP) almıştır.

980

Tablo IV. Beyaz dut ve kara duttan üretilen marmelatların duyusal özellikleri.

ÖZELLİKLER BMN BMP KMN KMP

Görünüş 7.6±1.64 8.0±1.24 8.4±1.07 8.4±1.07

Renk 7.5±1.35 7.7±0.82 8.3±1.15 8.5±0.97

Koku 7.1±1.79 6.8±1.39 7.2±1.03 7.2±0.91

Tat ve lezzet 6.8±2.04 7.0±1.94 7.4±1.34 7.5±1.15

Yapı ve akışkanlık

7.1±1.37 8.0±1.64 7.1±1.37 7.9±1.10

Genel değerlendirme

7.0±1.43 7.2±1.46 7.6±0.97 7.9±1.10

Genel toplam 43.1 44.7 46.0 47.4

4. SONUÇ

Duyusal değerlendirme sonuçlarına göre; marmelat örnekleri arasında en çok beğenilen "Pektin İlave edilerek üretilen Karadut Marmelat örneği" (KMP) olmuştur. Marmelat üretiminde pektin kullanılmasının istenilen jel yapının oluşmasına, ürün parlaklığı ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesine, sonuç olarak tüketiciler açısından beğenilen bir ürün ortaya çıkmasına katkı sağladığı görülmüştür. Sağlık açısından önemli bileşikler olan fenolik maddeler ve antosiyaninler bakımından örnekleri incelediğimizde en yüksek fenolik madde içeriğine (1065,28 mg GAE/kg) ve antosiyanin miktarına (150,79 mg/kg) sahip marmelat örneği; pektin ilavesiz üretilen karadut marmelatı (KMN) olmuştur.

Elde edilen bulgular bir arada incelendiğinde, karadut veya beyaz dut kullanılarak tüketiciler tarafından beğenilerek tüketilen marmelat vb. ürünlerin üretilebileceği ve dutlardan katma değeri yüksek ürünler elde edilebileceği görülmüştür.

KAYNAKLAR [1] Akbulut, M., Çoklar, H., Çetin, Ç., 2006. Farklı dut çeşitlerinin bazı kimyasal özellikleri ve mineral madde içeriklerinin

belirlenmesi. II. Ulusal Üzümsü Meyveler Sempozyumu, 14-16 Eylül 2006, 176 - 180,Tokat, 2006.

[2] Huo, Y., 2002. Mulberry Cultivation and Utilization in China. Mulberry for Animal Production, FAO Animal Production and Healt Paper 147: 11-44.

[3] TUİK, 2018. www.tuik.gov.tr (15.03.2018)

[4] Sağlam, S., 2007. Antosiyanince Zengin Dut, Kiraz ve Gilaburu Meyvelerindeki Fenolikler ve Antioksidan Kapasitesi Üzerine Reçel Yapım İşleminin Etkisi. Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Konya, 2007.

[5] Tokbaş, H., 2009. Karadut meyvesinin (morus nigra L.) reçel ile marmelata işlenmesi ve ürünlerin antioksidan özelliklerinin belirlenmesi (Yüksek Lisans Tezi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü).

[6] Scheerens, J.C., 2001. Phytochemicals And The Consumers: Factors Affecting Fruit And Vegetable Consumption And The Potential For Increasing Small Fruit In The Diet. Horttech 11:547-556.

[7] Akbulut, M., Batu, A., Çoklar, H., 2007. Dut Pekmezinin Bazı Fizikokimyasal Özellikleri ve Üretim Teknikleri. Gıda Teknolojileri Elektronik Dergisi (2), 25-31.

[8] Elmacı, Y. Ve Altuğ, T., 2002. Flavour Evaluation Of Three Black Mulberry (Morus Nigra) Cultivars Using Gc/Ms, Chemical And Sensory Data. Journal Of The Science Of Food And Agriculture, 2002, 82:632-635.

[9] Özgen, M., ve Scheerens, J.C., 2006. Bazı Kırmızı Ve Siyah Ahududu Çeşitlerinin Antioksidan Kapasitelerinin Modifiye Edilmiş Teac Yöntemi İle Saptanması Ve Antikanser Özelliklerinin Tartışılması. II. Üzümsü Meyveler Sempoyumu, Tokat, 2006.

[10] Pérez-Gregorio MR, Regueiro J, Alonso-González E, Pastrana-Castro LM, Simal-Gándara J. Influence of alcoholic fermentation process on antioxidant activity and phenolic levels from mulberries (Morus nigra L.) LWT. 2011;44:1793–1801. doi: 10.1016/j.lwt.2011.03.007.

[11] Zafar, M.S., F. Muhammad, I. Javed, M. Akhtar, T. Khalıq, B. Aslam, A. Waheed, R. Yasmın, Zafar, H., 2013. White mulberry (Morus alba): A brief phytochemical and pharmacological evaluations account. Int. J. Agric. Biol., 15: 612‒620

981

[12] Keskin, S., 2016. Gümüşhane ili dutlarının (morus spp.) seleksiyonu ve moleküler karakterizasyonu. (Yüksek Lisans Tezi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü).

[13] Özgen, M., Serçe, S., Kaya, C., 2009. Phytochemical and antioxidant properties of anthocyanin-rich Morus nigra and Morus rubra fruits, Scientia Horticulturae 119 (2009) 275–279.

[14] Cemeroğlu, B, 2009, Meyve ve sebze işleme teknolojisi, 1.cilt, 3.baskı, Gıda Teknolojisi Derneği yayınları no:38, Ankara, 707s.

[15] Şahin, İ., Korukluoglu, M., Uylaşeker, V., 1994. Taze Çileklerde Bozulma Etkeni Küfler. Gıda, 19 (6) 359-365.

[16] Anonim, 2006. Türk Gıda Kodeksi Reçel, Jöle, Marmelat Ve Tatlandırılmış Kestane Püresi Tebliği (Tebliğ no: 2006/55)

[17] Cemeroğlu, B., 2010. Gıda Analizleri. Gıda Teknolojisi Derneği Yayınları No: 34. Ankara, 657 s.

[18] Singleton, V. L., And Rossi, J.L., 1965. Colorimetry Of Total Phenolics With Phosphomolybdic-Phosphotungstic Acid Reagents. Amer. J. Enol. Vitic. 16: 144-158.

[19] Wrolstad, R.E., 1976. Color And Pigment Analyses İn Fruit Products. Oregon St. Univ. Agric. Exp. Stn., Bulletin 624:1-17.

[20] Giusti, M.M., Rodriguez-Saona, And Wrolstad, R.E., 1999. Molar Absorptivity And Color Characteristics Of Acylated And Non-Acylated Pelargonidin-Based Anthocyanins. J. Agric. And Food Chemistry, 47, 4631-463.

[21] Altuğ Onoğur, T., Elmacı, Y., 2011. Gıdalarda Duyusal Değerlendirme, Sidas Medya Ltd. Şti., İzmir, 134 s.

[22] Ercişli, S., Orhan, E., 2007. Chemical composition of white (Morus alba), red (Morus rubra L.) and black (Morus nigra L.) mulberry fruits. Food Chem. 103, 1380–1384.

[23] Uzun, H.İ. ve Bayır, A., 2010. Farklı Dut Genotiplerinin Bazı Kimyasal Özellikleri ve Antiradikal Aktiviteleri. III. Ulusal Üzümsü Meyveler Sempozyumu Kahramanmaraş, 128-138.

982

Gamma (ɣ) Radiation Absorption and Some Mechanical and Physical Properties of Borax Pentahydrate Concretes

Y. Esen*,1, M.V. Çiçek1

1Department of Civil Engineering, Faculty of Technology, Firat University, Elazig-Turkey

Abstract Our country, which has 72% of the world's boron reserves, is clearly of strategic importance in this regard. Most efficient use of boron minerals are important for Turkey every day. In this study, concrete samples of borax pentahydrate containing boron containing 48-49% boron were mixed with cement by 5%, 10%, 15%, 20% and 25% by weight. For this purpose, mechanical and physical experiments were performed to determine the ultrasound velocity of concrete (UPV), the tensile strength of the bending, and the radiation absorption characteristics of gamma (ɣ). As a result of these experiments, it was observed that the speed of ultrasound and the tensile strength of the bending in concrete decreased with the use of borax pentahydrate in concrete and it was observed that the radiation absorbing feature absorbed the radiation relatively.

Keywords: Borax pentahydrate, concrete, UPV, radiation.

1. GİRİŞ

Teknolojinin gelişim süreci ile birlikte daha modern ve uzun ömürlü betonarme yapılar ortaya çıkmış ve bununla birlikte farklı beton türleri üretilmeye başlanmıştır[1]. 20.yüzyıldan itibaren beton uygulamalarında yapının ağırlığının hafif olmasını gerektiren durumlarda hafif beton, radyasyona karşı korunmak amacıyla ağır betonlar kullanılmıştır[2]. Son yıllarda beton ile ilgili yapılan çalışmalara bakıldığında beton mukavemetinin yüksek olması üzerinde durulmuştur. Teknolojinin gelişmesi ve ilerlemesiyle birlikte betonda sadece yüksek mukavemet özelliğinin insanoğlunun talebini karşılamakta yetersiz olduğu anlaşılmış, bununla birlikte betonda kullanılabilecek katkı maddelerinin farklı kimyasalların betonun üzerindeki fiziksel ve mekaniksel özeliklerinde etkisinin neler olduğu araştırma konusu olmuştur [3].

Bor elementi doğada serbest halde bulunmayan değişik oranlarda minerallerin yapısında bor oksit olarak ikame olmuştur. Magnezyum, sodyum ve kalsiyum elementlerinden oluşan bor madeni hidrat bileşikleri halinde bulunur. Tinkal (Na2B4O7.10H2O), Boraks Pentahidrat (Na2B4O7.5H2O), Kolemanit (Ca2B6O11.5H2O) ve Üleksit (NaCaB5O9.8H2O) ticari değere sahip bor mineralleridir[4]. Bor madenin farklı türleri betonun içerisine doğrudan katılmayarak, betonu oluşturan ana unsurlardan olan çimento üretiminde kullanılarak, borlu çimento elde edilmiştir. Borlu çimento inceliğinde, öğütülen bor madeni içeren boraks atığının hazırlanan çimento harcının içerisine değişik oranlarda ilave edilmesiyle dökümü yapılan harç numunelerin üzerinde çeşitli deneyler yapılarak boraks atığının çimento içerisindeki tepkisel davranışı ve etkileri incelenmiştir. Bulunan sonuçlar, kontrol numuneleri ve ilgili standartlar ile karşılaştırıldığında, priz süresinin uzadığı ve betonun basınç dayanımının düştüğü görülmüştür[5]. Ayrıca yapılan çalışmalarda beton harcında bor bileşiklerini içeren çimentoların hidratasyon süresini arttığı gözlenmiştir. Literatürde priz geciktirici olarak borun farklı bileşiklerinin kullanıldığı çalışmalar mevcuttur[6].

Bu çalışmada, bir bor madeni türü olan boraks pentahidrat ağırlıkça farklı oranlarda beton harcının içerisine katılarak beton numuneler dökülmüş ve elde edilen betonun mekaniksel ve fiziksel özellikleri incelenmiştir.

Corresponding author. Tel.: ++90-424-23700: fax: +90 -424-23670 E-mail address: yesen@firat.edu.tr (Y. Esen).

983

2. MALZEME VE METOT

Beton harcı hazırlanırken Çimentaş Elazığ Fabrikasında üretilen TS 19 ve TS22’ye uygun CEM I 42,5R Puzolanik portland çimentosu kullanılmıştır [7]. CEM I 42,5 R çimentosunun kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo I’de verilmiştir.

Tablo I. CEMI42.5R çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri [7].

Kimyasal Kompozisyon(%) Çimentonun Fiziksel Özellikleri SiO2 20,4 Özgül ağırlık (gr/cm3) 3,05 Al2O3 5,61 Priz Başlangıcı(dk.) 190 Fe2O3 3,27 Priz sonu (dk.) 255 CaO 63,01 Hacim genişlemesi (mm) 7 MgO 2,49 Özgül Yüzey, (cm2 /gr. Blaine) 3470 SO3 2,26 Çimentonun Basınç Dayanımı (MPa) Cl 0,006 2 gün 24,2 Kızdırma kaybı 1,64 7gün 43,5 Çözünmez kalıntı 1,68 28gün 54,5

Tablo II. Boraks Pentahidrat Kimyasal Bileşenleri [9].

Kimyasal İçerik İçerik Birim Değer

B2O3 % 48-49,35 Eşdeğer Na2B4O7.5H2O % 100.42-103.24 Na2O % 21,37 - 21,95 SO4 ppm 135 mak. Cl ppm 70 mak. Fe ppm 3 mak. Suda çözünmeyenler ppm 150 mak.

Tablo III. Fiziksel özellikler [9].

Kimyasal ve Fiziksel Özellikler Özgül Ağırlık 1,81 g/cm3(20 ̊C) Molekül Ağırlığı 291,35g/mol Erime Noktası 741 ̊C Kaynama Noktası 1575 ̊C

Bu çalışmada, Eskişehir Kırka Bor İşletme Müdürlüğünden temin edilen bor madenin bir türü olan boraks pentahidrat, çimento ile ağırlıkça yer değiştirilerek kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan boraks pentahidratın kimyasal bileşenleri ve fiziksel özellikleri ve sıcaklık karşısında suda çözünürlük yüzdesi hakkında bilgiler Tablo II, Tablo III ve Tablo IV’de verilmiştir. Beton karışımında TS 500’e uygun şebeke suyu kullanılmıştır. Agrega olarak TS 706 standardına uygun 0-4 mm, 4-16 mm dane çapında kırmataş agregası kullanılmıştır. Harç numuneleri hazırlanırken, TS EN 802 standartına göre karışım hesabı yapılmıştır [8].

Tablo IV. Boraks pentahidratın sıcaklık karşısında suda çözünürlük yüzdesi [9].

Sudaki Çözünürlük

Sıcaklık (̊C) 100 mL Suda Çözünen Etibor-48(g/100mL)

0 1,71 10 2,50 15 3,14 20 3,81 25 4,78 30 5,69 40 8,77 50 13,80 60 24,10 70 28,21 80 33,84 90 41,06

984

100 50,12 Beton harcının homojen olarak karıştırılması amacıyla laboratuvar tipi mikser kullanılmıştır. Karışım yapılırken Su/Çimento oranı göz önünde bulundurularak beton harcı çökme deneyine tabi tutulmuştur. Çökme miktarı 8 cm olan beton harcı daha önceden içleri yağlanan kalıplara şişlenerek doldurulmuştur. Kalıplara bırakılan beton harçları içerisinde boşluk olmaması ve betonun kalıba tam yerleşmesi için sarsma tablasında sarsılma işlemine tabi tutulmuştur. Kalıpların üst kısmı mala ile düzeltilerek numunelerin karışmaması için numaralandırma işlemi yapılmıştır. 24 saat süresince ortam sıcaklığı 20±3°C olan nemli laboratuar ortamında kurumaya bırakılmıştır. Geçen 24 saat süre zarfından sonra numuneler kalıplardan çıkarılarak kürünü alması maksadıyla kür havuzuna bırakılıp 28 gün kürünü alması beklenmiştir. 28 gün sonunda kürden çıkarılan numunelerin 24 saat normal hava koşullarında kuruması beklenerek 28 günlük numunelerin ölçümlerini almak için hazır hale gelmiştir. Elde edilen numuneler boraks pentahidrat artış oranına bağlı olarak; boraks pentahidrat miktarı %5 olan numune B5, %10 olan numune B10, %15 olan numune B15, %20 olan numune B20 ve %25 olan B25 olarak isimlendirilmiş ve karışım oranları Tablo 5’de verilmiştir.

Tablo V. Karışımda oranları[9]

1 m3 için gerekli olan malzeme miktarları

Numuneler Çimento(kg) Su (lt) 0-4mm (kg) 4-16mm (kg) Boraks

Pentahidrat(kg) Çimento+Boraks pentahidrat (kg)

Kontrol 350 193 919 909 0 350 B5 332,5 193 919 909 17,5 350 B10 315 193 919 909 35 350 B15 297,5 193 919 909 52,5 350 B20 280 193 919 909 70 350 B25 262,5 193 919 909 87,5 350

3. DENEYSEL ÇALIŞMA

PGH ölçüm deneyine başlamadan önce metal başlıklara vazelin sürülerek birbirine yapıştırılıp test ölçümü yapılmıştır. Alet sıfırlandıktan sonra yapılan ölçümde okunan değer 27,3µs’dur. PGH ölçüm deneyinde elde edilen ölçüm sonuçlar Şekil 1.’de gösterilmiştir. Bu deney metodu ile ilgili teknikler ve kullanım yöntemleri ASTM C 597 standardında yer almaktadır [10].

Şekil 1. Ultrases (PGH) cihazıyla elde edilen ölçüm sonuçları

Şekil 1’e göre boraks pentahidrat oranı artışıyla ultrases geçiş hızı arasında azalan bir ilişki olduğu görülmüştür. Ses geçiş hızının en yüksek olduğu numune kontrol numunesi iken, en az olan numune B25 numunesidir. Ultrases geçiş hızı ne kadar yüksekse boşlukta o kadar az demektir.

Eğilmeden çekme dayanımlarının ölçülmesi için kiriş boyutları 4x4x16 cm olan beton numuneler iki mesnetli ve mesnetler arası açıklığı 10 cm olan deney aletine sabitlenip, iki mesnete de eşit uzaklıkta eksenel dik kuvvet, beton numunesinin tam ortasına uygulanarak beton numunesi kırılıncaya kadar yükleme yapılmıştır. Ölçüm yapılırken cihazın yükleme hızı 0,20 kN/s olarak ayarlanmış ve deneyler yapılmıştır. Beton numunelerin eğilme dayanımları hesaplanırken, fcf= 2 formül kullanılarak her bir numunenin eğilme dayanımı hesaplanmış ve ortala değerler alınmıştır. Burada; fcf :Eğilme dayanımı (MPa), F: En büyük yük (N), L: Mesnetler arası açıklık (mm), b: Numunenin eni (mm), h: Numunenin yüksekliği (mm) olarak alınmıştır [11]. Eğilmede Çekme Deneyi sonucunda elde edilen değerler Şekil 2’de grafiksel olarak

985

verilmiştir. Grafikten görüleceği üzere bir eksende de kırılmaya sebep olan kuvvet diğer eksende hesaplamalar sonucu elde edilen gerilmeler ayrı ayrı hesaplanmıştır.

Şekil 2. Eğilme ve çekme deneyler sonucu elde edilen ölçüm sonuçları

Şekil 2’ye göre yük ve gerilme eğrileri hiperboliğe yakın bir değişim göstermiştir. Burada, kontrol numunesinde gerilme 6,79 Mpa iken boraks pentahidrat katkılı numunelerde en yüksek gerilme 4,75 Mpa değerinde B5 numunesinde ve en düşük gerilme 3,24 Mpa değerinde B25 numunesinde görülmüştür. Eğilmede çekme deneyi yapılırken TS 3285’e göre yapılmıştır [12].

Radyasyonun yaymış olduğu zararlara karşı korunmak, malzemelerin radyasyon geçirgenliklerinin ölçülmesi ve ne derece geçirgenliğe sahip oldukları bilinmelidir. Beton numunelerin radyoaktivite ölçümleri F.Ü Fizik bölümü Laboratuvarlarında yapımıştır. Öncelikle ölçüm alabilmek için numuneler kesilerek 15x15x2 cm boyutlarına getirilmiş ve değişik kalınlıklar için ölçümler yapılmıştır. Her bir örneğin kütle soğurma katsayıları NaI (TI) detektörlü Gama Spektroskopi ölçüm sistemi ve 662 keV’lik gama radyasyonu yayan 1 micro-Ci aktiviteye sahip Cs-137 noktasal radyasyon kaynağı kullanılarak belirlenmiştir. Üretilen örneklerin kütle soğurma katsayısı; denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Burada

, kaynak ile detektör arasında soğurucu materyal olmadan elde edilen gama ışını şiddeti, soğurucu materyalden geçen gama ışını şiddeti, maddenin yoğunluğu ve ise kalınlığıdır [13]. 2, 4 ve 6 cm olmak üzere 3 farklı kalınlık ile elde edilen soğurmalara ait yapılan deney ile alakalı Gama Spektroskopi ölçüm sistemine ait sonuçlar aşağıdadır.

Şekil 3. Numunelerin kalınlıklara göre gama (γ) geçirgenlikleri

986

Şekil 3’de görüldüğü üzere B5 ve B10 numunelerinin kontrol numunesine göre radyasyonu daha fazla geçirdiği görülmüştür. Numunelerin yoğunlukları yaklaşık olarak eşit olmakla birlikte, katkı maddesi ile ana matris malzemesinin etkileşiminin zayıf olduğu ve kütle içerisinde muhtemel boşlukların oluşmuş olma ihtimali ile böyle bir sonucun ortaya çıktığı söylenebilir. B15, B20, B25 numuneleri de kontrol numunesine kıyasla daha iyi bir soğurma eğrisi elde edilmiştir. Kalınlıklar göz önünde bulundurulduğu zaman 2 cm de tüm numuneler de yaklaşık aynı yüzdelerde soğurmalar gerçekleşmiştir. Fakat 4 cm ve 6 cm için farklı radyasyon soğurmaları görülmüştür. 4cm de B25 numunesi gama (γ) radyasyonunu %60’larda soğururken, 6 cm de ise B20 numunesinin gama (γ) radyasyonunu %75’lerde bir soğurduğu görülmüştür.

4. SONUÇLAR VE ÖNERILER

Bu çalışmada, görülmüştür ki elde edilen veriler boraks pentahidratın farklı oranlarda çimento ile ağırlıkça yer değiştirildiği zaman olumlu ve olumsuz sonuçlar elde edilmektedir. PGH ve Eğilmede çekme deneyi sonuçları, boraks miktarı arttıkça dayanımların olumsuz yönde geliştiğini göstermiştir. Aynı zamanda doğrusal bir ilşki olmamakla birlikte boraks miktarının artışına bağlı olarak numunelerin kısmi olarak radyasyonu daha fazla soğurduğu gözlenmiştir. Elde edilen bu sonuçların ileride yapılacak çalışmalara ışık tutacağına inanarak, bundan sonra yapılacak çalışmalarda Boraks Pentahidratın çimento ile yer değiştirerek değil de ince malzeme yerine kullanımının belki daha iyi sonuçlar sağlayabileceği söylenebilir.

KAYNAKLAR [1]. McCormac JC., Brown RH., (2015), “Design of Reinforced Concrete”. John Wiley&Sons, 672 p.

[2]. Lee C-H., Wang T-T., Chen H-J. (2013), “Experimental study of shotcrete and concrete strength development in a hot spring environment”. Tunnelling and Underground Space Technology, 38, 390-397.

[3]. Marie I., (2017), “Thermal conductivity of hybrid recycled aggregate–Rubberized concrete”, Construction and Building Materials, 133, 516-524.

[4]. Erdoğmuş E., (2006), “Çimentoya Bor Katkısı, Uçucu Kül, Yüksek Fırın Cürufu İlavesiyle Özelliklerinin İncelenmesi”. Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul

[5]. A. Ugurlu ve dig., (2004), “Bor İçeren Kil Atıkların Çimento İçerisinde Değerlendirilmesi”. Uluslararası Bor Sempozyumu, 23-25 Eylül 2004 Eskişehir Türkiye”.

[6]. H. Ece Pehlivanoglu, (2013). “The Effect of Boron Compound to Settıng Tıme of Cement and Controllabılıty., SDU International Technologic Science Vol. 5, No 3, December 2013 pp. 39-48.

[7]. TS 19-22, (1992), “Çimento Portland Çimentoları, Türk Standartları Enstitüsü, Nisan.

[8]. TS EN 802, (2009), “Beton Karışım Hesap Esasları”, Türk Standartları Enstitüsü, Haziran.

[9]. Çiçek M. Veysel, (2018), “Bor Madeni Katkısının Betondaki Mekanik Ve Fiziksel Özellikler Açısından İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ.

[10].ASTM C 597, 1998, USA. Standard Test Methodfor Pulse Velocitythrough Concrete.

[11].Eyyüboğlu, S., (2013), “Kolemanit Konsantratör Atıklarının Çimento Üretiminde Değerlendirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Balıkesir, 130s

[12].TS 3285, Betonun Eğilmede Çekme Dayanımı Tayini Deneyi(Orta Noktasından Yüklenmiş Basit Kiriş Metodu ile) Ankara,1979

[13].Irim S ve dig., “Physical, mechanical and neutron shielding properties of h-BN/Gd2O3/HDPE ternary nanocomposites” , Radiation Physics and Chemistry.,Volume 144, March 2018, Pages 434-443.

987

Ontological Representation of Heterogeneous Sensor Data

M.Milli1, Ö. Aktaş1, E. Unsal2*, D. Gezgin1, M. Kahveci, K. Baysarı1

1 Department of Computer Engineering Dokuz Eylül University İzmir, Turkey 2Department of Computer Engineering Cumhuriyet University Sivas, Turkey

Abstract Wireless Sensor Networks (WSN’s) has become a vital part of electromechanical systems in many different applications. These systems collect a huge mass of data in a short time period. However, these data still represented by classical methods in many sensor applications. These classical methods cover relational database, XML base files, or any syntax-level integration format. However, there is a need for more effective methods for better understanding and analysis of such huge sensor data. In this study, an ontology-based system is created for the data obtained from the sensors in order to more meaningful represent the sensor data. This system was named as OReHSeD (Ontological Representation of Heterogeneous SEnsor Data). Thus, semantic integration was provided successfully with sensor data. The proposed system has been implemented in greenhouse monitoring application as a real-world use case. The results of the application show that the OReHSeD system can successfully represent raw sensor data as meaningful semantic data. In future work, sensor data can be clustered or classified using machine learning algorithms in order to predict the unforeseen situation in the near future. This process may be useful for future estimation of the observed feature. In this way, some measures can be taken to prevent unwanted situations and natural disasters such as earthquakes, forest fires, floods.

Keywords: Ontology, Resource Description Framework, Semantic Sensor Network, Semantic Web Enablement.

1. INTRODUCTION

Until today, sensor data has been collected and represented in different formats and methods in many studies. Time series observations are one of the most widely used methods of collecting sensor data. In literature, most of the researchers collect and represent sensor data as time series observation [1],[2]. A time series data is the measurement of the feature of interest in succession over time. Over times, scientists have recognized the importance of time series observations quality to conduct research and analyze data. For this, the data should be as structural and works interoperably with each other. However, this is difficult due to the heterogeneous structure of sensor data.

This heterogeneity about sensor data structure includes sensor characteristics, measurement methods, data formats, measurement units, application area, an evolution of data in time, spatial solutions, and etc. In other words, the structure of raw data gathered from many sensors based sources is heterogeneous. Therefore, the integration of the sensor data can be very challenging, especially when heterogeneous data sources are available in the WSN used. Sheth describes this heterogeneity at four different levels [3].

• System: Incompatibility derived from different hardware and operating systems.

• Syntax: Incompatibility derived from different language and data representation.

• Structure: Incompatibility derived from different data models.

• Semantic: The incompatibility, derived from the same term having different meanings in different contexts.

* Corresponding author. Tel.: +90 505 670 48 96 E-mail address: eunsal@cumhuriyet.edu.tr (E.Unsal).

988

Processing and managing sensor data becomes difficult day by day due to the lack of a specific standard for heterogeneous time series sensor data. Some standards had been developed with the aim of closing this deficiency in the literature. These standardization studies have explained after this section.

The organization of this paper is as follows: Section 2 covers the information of standardization studies of sensor data. Section 3 includes some related works. Section 4 explain proposed model architecture for ontological representation of time series sensor data and lastly, section 5 covers discussion and conclusion this paper.

2. STANDARDIZATION STUDIES OF SENSOR DATA

There are two different standards that are mostly used in many studies by researchers for sensor data. These are Sensor Web Enablement (SWE) and Semantic Sensor Network (SSN). These standards are described as following:

2.1. Sensor Web Enablement

The first standardization initiative is Sensor Web Enablement (SWE) and Observations and Measurements Language (O & M) that was developed by the Open Geospatial Consortium (OGC). OGC is the world's leading geospatial industry standards organization. In web-based sensor networks sensor location is usually a critical parameter for an end user of sensors and system analyzer.

The OGC provides a common framework for implementation of interoperable and scalable service-oriented networks of heterogeneous sensor networks. SWE and O&M languages are architecture model for structuring heterogeneous sensor data. In addition, OGC provided the sensor systems to serve as a service over the web. The following list determines the languages, functionality and service interface specifications of the SW [4].

2.1.1. Observations & Measurements (O&M)

It determines standard models and XML Schema for encoding observations and measurements from a sensor, both archived and real time.

2.1.2. Sensor Model Language (SensorML)

It provides standard models and XML Schema for describing sensors systems and processes; provides information needed for discovery of sensors, the location of sensor observations, processing of low-level sensor observations, and a listing of task able properties.

2.1.3. Transducer Markup Language (TransducerML or TML)

It enables the conceptual model and XML Schema for describing transducers and supporting real-time streaming of data to and from sensor systems.

2.1.4. Sensor Observations Service (SOS)

It provides a standard web service interface for requesting, filtering, and retrieving observations and sensor system information. This is the intermediary between a client and an observation repository or near real-time sensor channel.

2.1.5. Sensor Planning Service (SPS)

It determines a standard web service interface for requesting user-driven acquisitions and observations. This is the intermediary between a client and a sensor collection management environment.

2.1.6. Sensor Alert Service (SAS)

It enables a standard web service interface for publishing and subscribing to alerts from sensors when sensors may detect an abnormality in the frequency spectrum.

2.1.7. Web Notification Services (WNS)

It determined standard web service interface for asynchronous delivery of messages or alerts from SAS and SPS web services and other elements of service workflows. O & M is an XML-based model that represents sensor observations on the Web. By providing a common model, O & M facilitates syntax-level integration but lacks the ability to facilitate integration at the semantic

989

level. This deficiency can lead to probable integration problems and query problems. The creating ontologies of the sensor data can lead to the overcoming of these problems.

2.2. Semantic Sensor Network

The second standardization initiative is the Semantic Sensor Network (SSN) which was developed by the World Wide Web Consortium (W3C). W3C is a consortium which determines the web and semantic web standards in the world. The SSN ontology can ability integration and high-level descriptions of sensor observation data. Moreover, this ontology can describe the capabilities of sensors that set up, the measurement processes used and their observations. A common ontology that released by W3C is shown in Fig.1 with class and their relations with others. SSN have core ontology called SOSA (Sensor, Observation, Sample, and Actuator) that including lightweight but self -contained, for its fundamental classes and properties [5].

SSN is a framework for providing meaning for sensor observations to provide status awareness. It enhances the meaning by adding semantic annotations to SWE's existing standard sensor languages. These additional statements provide more meaningful explanations and more access to sensor data than SWE and act as a link mechanism to SWE's gap between syntactic XML-based metadata standards and Semantic Web's RDF / OWL-based metadata standards. Along with semantic descriptions, ontologies and rules play an important role in interoperability, analysis, and reasoning compared to heterogeneous multimode sensor data in SSN.

Fig. 1. Overview of the SSN and SOSA classes and properties [5]

In general, when a look of two standardization architectures, SWE is based on XML, whereas SSN is based on RDF. XML has been regarded as a common data standard in years, however, lacks the ability to semantically associate heterogeneous times series sensor data from different sources. RDF provides the ability to represent the relationship between different data formats and their properties in a machine-executable form. Thus, it is possible for machines to integrate, understand data from different sources and infer new information. Since it is providing more benefits than SWE for proposed project scope, SSN common architecture was used as base ontology.

3. RELATED WORKS

In their article, two different issues were addressed for the representation of observational data by Henson and et. at. [6]. The first problem is that sensor data has a heterogeneous structure. The second problem is that there is no semantic proximity between sensor data. Researchers have tried to solve these problems with an ontology-based data representation. They used four different methods when monitoring and analyzing sensor

990

data which can be divided along two dimensions. These are cumulative vs. non-cumulative and interval-based vs. event-based. Their proposed system was evaluated using sensor data monitored by the Australian Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) ICT Center. In this evaluation, 20 different rain gauge sensor data represented by the O & M language are used. Monitoring of water resources is one of the measures taken to deal with the drought in Australia.

C. Goodwin and D.J. Russomanno [7] proposed an ontology-based sensor network environment prototype systems. Researchers have emphasized that integration of the raw data before storage of them, is necessary in order to extract more meaningful information than sensor data. Their ontology-based prototype consists of wireless sensing capabilities, that include temperature, acceleration, GPS, light, barometer, magnetic field, acoustic measurements, and pressure. In their project, they generated OWL markup of sensory perceptions and handled instant queries by referring to the OntoSensor ontology.

V. Huang and M.K. Javed [8] proposed a semantic-based architecture for the identification and processing of sensor information. In their paper, researchers emphasized that WSNs continuously collect massive amounts of raw data, which are generally only processed by customized applications. They point out that this situation has caused some problems, like the lack of common and standardized technology for different WSNs further limits the reusability of sensor data. According to researchers, in order for applications and services to be developed independently of specific WSNs, the sensor data must be enriched with semantic web technologies and ontologies. Thereby, semantic identification will enable the sensor data from various WSNs to be shared in a meaningful way and the system to process sensor data collected from heterogeneous sources. They develop a semantic-based sensor network and it was called SWANS (Semantic Web Architecture for Sensor Network). SWANS architecture composed of four different layers. These layers are sensor network data sources layer, ontology layer, semantic web processing layer, and application layer. They evaluated the proposed system in a fire emergency scenario in a building as a real-world case study. As a result, in this study, researchers removed contextual awareness at the WSN and they provided to using the sensor data easily with semantic web technologies for every application.

In this article. Janowicz and M. Compton [9] present an overview of ongoing work to develop an ontology model of observation-based data which obtained from the wireless sensor networks. The presented work introduces a generic Stimulus-Sensor-Observation ontology design pattern intended as a building block for work on the Semantic SensorWeb and Linked Sensor Data. They named the proposed project as Stimulus-Sensor-Observation (SSO) architecture. In the scope of this project, the core classes, relationships, properties and other components of the model that forms the proposed ontology are discussed in detail. In addition to this, the improved sensor data ontology is alignment with DOLCE's basic ontology to improve semantic interoperability and clarify the underlying ontological commitments. Finally, in their papers, they discuss how to integrate their sensor ontology architecture with semantic sensor networks which invented the W3 Consortium.

4. METHODS

The proposed project consists of three different phase. These are Wireless Sensor Network Layer (WSNL), Ontological Representation Layer (ORL), and Application Layer (AppL). These layers explained below briefly and the following figure depicts Ontological REpresentation of Heterogeneous SEnsor Data (OReSeD) architecture clearly.

991

Fig. 2. OReHSeD architecture for ontological representation of heterogeneous sensor data

In this study, a system was developed in which sensor data can be efficiently shared by users and processed by machines easily. This proposed model was tested successfully as a real-world use-case in greenhouse monitoring.

4.1. Wireless Sensor Networks Layer

The first layer is Wireless Sensor Network Layer (WSNL) used for collecting raw data. WSN is electro-mechanical systems aimed at minimizing human supervision in areas that are unattended and difficult to access. The most important component of these systems is nodes which are designed to perform various tasks in terms of hardware and communicate with each other wirelessly. The hardware architecture of the proposed system is explained as follow.

4.1.1. Hardware Architecture of Proposed System

In the proposed project, four different wireless sensor nodes are created for four different tasks. These are Inside Sensor Node(ISN), Outside Sensor Node (OSN), Repeater Node (RN), Gateway Node (GN). Generally, every node includes a microprocessor, communication device, many sensors and power unit. In addition, four different sensors are used in this project. These are temperature, soil moisture, light level sensors and rain sensor. The nodes and their tasks to be used are described below.

• Inside Sensor Node (ISN): The nodes are designed to sense the physical phoneme of the inside of the greenhouse such as temperature, level of photosynthesis light, and soil moisture. ISN architecture composed of the microprocessor (Arduino Uno Atmega 328), power supply (battery or solar panel), the communication device (NRF24L01+) and variety of sensors (DHT22, TSL2561 and etc.).

• Outside Sensor Node (OSN): The nodes are designed to sense the physical phoneme of the outside of the greenhouse such as temperature, humidity, level of rain. In terms of hardware design OSN is same the ISN. The only difference is the sensors type they have. Fig. 3-a) shows a prototype of ISN and OSN architecture for the proposed system.

992

Fig. 3-a). A prototype of ISN and OSN architecture for the proposed system

Fig. 3-b). A prototype of RN and GN architecture for the proposed system

• Repeater Node (RN): Generally, ISN and OSN send the sensor data GN directly. But sometimes they may be deployed outside of the healthy communication distance with GN, due to necessity. In this case, RN is deployed between GN and ISN to provide healthy communication. They send the sensor data received from sensor nodes to GD. Therefore, RN hardware composed of microprocessor, communication device and power unit. They do not include any sensors.

• Gateway Node (GN): GN serves as a bridge between the sensor nodes of the WSN in the physical environment and the controller in the computer environment. All data sensed by sensor nodes deployed to different locations is transmitted to the controller via GD for preprocessing before the inserting database. GD’s hardware architecture composed of microprocessor, communication device and power unit. They do not include any sensors in their structure like RN. Fig. 3-b) shows a prototype of RN and GN architecture for the proposed system.

4.1.2. Coding of Embedded System Software In order to perform their own task, the embedded system software of four different nodes described above was coded differently. In this coding process, the MySensors [10] library was used to manage the wireless radio connection and the protocol used in this proposed WSN architecture. The main reason for using MySensors as a library in this project is that it is easy to use, has a flexible structure and accepted by many researchers. In addition, the MySensors library supports many microprocessor structures such as Arduino, Raspberry Pi, Wemos, and allows users to create their own wireless network. In this study, Arduino Uno, and Promini was used as a microcontroller. Arduino is an open-source electronics platform based on easy-to-use hardware and software.

4.1.3. Programming Controller

Most of WSN systems must be supervised by the controls algorithm for the management of the system, the monitoring of the installed infrastructure and the detection of an unforeseen situation. Even though in order to manage the sensor network there are many open source widely used controllers such as CALAOUS, DOMOTICS, MYCONTROLLER, OPELUUP in the literature, in this study serial controller algorithm is coded by the project team by using Visual Studio platform. Tasks of this controller that created are listed below.

• Starting serial communication between the WSN and the computer.

• Parsing the sensor data which received from the Gateway, and made up of them into a meaningful piece.

• Creation of endpoints for enabling the use of sensor data by external programs and protocols.

993

• Monitoring the wireless network infrastructure to making the necessary improvements (e.g.: changing the power unit when necessary).

• The GDs send the commands about greenhouse system from the user to the gateway and enable the actuators in the relevant node to operate.

4.2. Ontological Representation Layer

The second layer is the Ontological Representation Layer (ORL) used to transform raw data into meaningful expressions. In this layer, some semantic technologies are used to define sensor ontology. For example, RDF triples were used, in order to create a semantic link between sensor data. OWL language was used for the representation of sensor data. Moreover, SPARQL is used for querying to RDF files and triples. SPARQL stands for “SPARQL Protocol and RDF Query Language”, provides data consumers (system analyzer, domain experts, end-user etc.) to query information from databases or any data source that can be mapped to RDF.

SELECT ?value ?time WHERE { ?observation a sosa:Observation . ?observation sosa:hasSimpleResult ?value . ?observation sosa:resultTime ?time . ?observation sosa:madeBySensor ?sensor . ?observation sosa:observedProperty foi:insideWeather\#light . FILTER( ?time <= '2018-05-13T00:00:00+03:00'^^xsd:dateTime && ?time >= '2018-05-11T00:00:00+03:00'^^xsd:dateTime) { select ?sensor WHERE { ?nodeuri a mysensors:Node . ?nodeuri mysensors:id 58 . ?nodeuri sosa:hosts ?sensor } } }

For instance, in the given date range, values of light sensor connected to node 58 are listed through the following SPARQL code. The results produced by this SPARQL code are shown in Fig. 4.

Fig. 4. Graphical representation of the query result

994

4.3. Application Layer

The last layer is the application layer for monitoring sensor data. We designed a simple user interface for end-users to understand and analyze sensor data. At this interface, users can list sensor data at time intervals and create a graph. Besides this, sensor data can be tracked in real time. Fig.5 shows the user interface.

Fig. 5. The user interface of Ontological Representation of Heterogeneous Sensor Data

5. CONCLUSION

Today’s Wireless Sensor Networks (WSN’s) have become a vital part of electromechanical systems in many different applications. Moreover, WSN’s recently have been increasingly used in a wide range of industrial area. These devices can collect raw sensor data in a very short period of time from our environment. This data has a heterogeneous structure and they had been integrated each other as syntax level until today. Sharing and reusing sensor data is limited without understanding the semantics of the data. Therefore, sensor data should be semantically related to extracting more information from them.

At beginning of 2000's years, W3C enabled the semantic integration of time series sensor data through developing common SSN standard, explained above. This study showed that how times series sensor data can be represented more effectively. The OReHSeD has been implemented in a greenhouse monitoring, as a real-world use case. The OWL language was used for the semantic representation of sensor data. In addition, this ontological based sensor dataset queried with SPARQL RDF query language. This project shows that ontologies can be used to represent time series sensor data at any domain in the real world.

In future work, data from SPARQL query results can be clustered or classified using machine learning algorithms. These classification results can be used to estimate the future value of the observed feature. For example, when it is thought for the greenhouse monitoring system, by tracking the soil moisture in the greenhouse, it can be forecasting the date when the soil needs to be irrigated. Moreover, the system can be applied to important issues such as the earthquake, forest fire, flood and necessary precautions can be taken.

ACKNOWLEDGMENT

We are grateful as well as to Yalçın ÇEBİ and Özgür TAMER, for their contribution to improve the quality of the paper and the develop our ontologies.

REFERENCES [1] S. Bhandari, N. Bergmann, R. Jurdak, and B. Kusy, “Time Series Data Analysis of Wireless Sensor Network

Measurements of Temperature,” Sensors, vol. 17, no. 6, p. 1221, 2017.

995

[2] M. Sharmin et al., “Visualization of time-series sensor data to inform the design of just-in-time adaptive stress interventions,” Proc. 2015 ACM Int. Jt. Conf. Pervasive Ubiquitous Comput. - UbiComp ’15, pp. 505–516, 2015.

[3] A. Sheth, “Changing Focus on Interoperability in Information Systems: From System, Syntax, Structure to Semantics,” 1999, pp. 5–30.

[4] M. Botts, G. Percivall, C. Reed, and J. Davidson, “OGC sensor web enablement: Overview and high level architecture,” Lect. Notes Comput. Sci. (including Subser. Lect. Notes Artif. Intell. Lect. Notes Bioinformatics), vol. 4540 LNCS, no. December, pp. 175–190, 2008.

[5] M. Compton, P. Barnaghi, and L. Bermudez, “The SSN Ontology of the Semantic Sensor Networks Incubator Group,” J. Web …, pp. 1–6, 2011.

[6] C. Henson, H. Neuhaus, and A. Sheth, “An ontological representation of time series observations on the Semantic Sensor Web,” 2009.

[7] C. Goodwin and D. J. Russomanno, “An ontology-based sensor network prototype environment,” Proc. 5th Int. Conf. Inf. Process. Sens. Networks (IPSN 2006), Nashv. TN, USA, p. 2, 2006.

[8] V. Huang and M. K. Javed, “Semantic sensor information description and processing,” Proc. - 2nd Int. Conf. Sens. Technol. Appl., SENSORCOMM 2008, Incl. MESH 2008 Conf. Mesh Networks; ENOPT 2008 Energy Optim. Wirel. Sensors Networks, UNWAT 2008 Under Water Sensors Syst., pp. 456–461, 2008.

[9] K. Janowicz and M. Compton, “The stimulus-sensor-observation ontology design pattern and its integration into the semantic sensor network ontology,” CEUR Workshop Proc., vol. 668, 2010.

[10] “MySensors.” [Online]. Available: https://www.mysensors.org/. [Accessed: 01-Apr-2018].

996

Microstructure Studies of St 52 Coated with Stellites by TIG Method

Z. Balalan1*, I.Kirik2, O. Ekinci1, M. Kilic3

1Department of Mechanical Engineering, Bingol University, Bingol, Turkey 2Department of Metallurgy and Materials Engineering, Bingol University, Bingol, Turkey

3Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Batman University, Batman, Turkey

Abstract This study covers the microstructure and microhardness investigation of st 52 specimens whose face coated with different stellite (1, 6 and 12) via TIG method. Coatings have been successfully performed via TIG method. Dendritic matrixs were observed due to the CrC occuring in microstructure examinations of coatings. Not only different coatings changed microstructure, but also different coatings doubled hardness values. The highest hardness value of 625 HV was obtained in the specimen coated with stellite 1. The reason for this is because the specimen coated with stellite 1 containing more carbon quantity.

Key words: St 52, Stellit, TIG

1. GİRİŞ

Malzemellerin yüzey karakteristik özelliklerini geliştirmek için kullanılan sert kaplama yöntemlerinden biride TIG kaynak yöntemidir. İlerleyen teknoloji ile TIG yöntemi dışında, Yüksek Yoğunluklu Lazer (YYL) ve Termal Sprey (TS) dibi yöntemlerle de bu gibi kaplamalar yapılmaktadır. Ancak, TIG kaynak yönteminin kolay yapılabilmesi, düşük maliyet ve uygulamada avantaj sağlaması gibi özelliklerinden dolayı tercih edilmesini gerekli kılmaktadır[11]. Alışıla gelen yüzey özelliklerinin geliştirilmesinde kullanılan yöntemlerin aksine TIG kaynağı ile yapılan yüzey işlemlerin korozyon ve aşınma dayanımları yüksektir. TIG kaynak yöntemi aslında yüzeydeki tozların alt tabakaya ergitilerek geçiştirilmesi prensibi olduğundan bir tür alaşımlama tekniği olduğu söylenebilir. TIG ile metal yüzeyinde meydana gelen ergime hem yüzeydeki tabaka ve altlıkta aynı anda gerçekleşir, katılaşma sonrası kaplama malzemesi ve esas metal farklı bileşim ve karakteristik özelliklerde katı eriyik ya da bileşik oluşturarak bir bağlanma meydana getirirler[2-5].

Çeliklerin yüzeylerinin Stellite (Co-Cr-C) alaşımları ile kaplanması, yüksek sıcaklık ve basınçla çalışılan makine parçalarında aşınma faktörleri ve önlenmeleri dikkate alındığında Stellite alaşımlar ve yüzey kaplama işlemleri büyük bir öneme sahip olduğu görülmektedir. Ancak yapılan literatür incelemelerinde Stellite 1’in bir kobalt esaslı kaynak malzemesi olduğu ve standart olan kobalt alaşımları içinde en yüksek sertlik ve aşınma direncine sahiptir. Stellite 6 ise yüksek çalışma sıcaklıklarında ve esas malzemenin özelliklerini fazla değiştirmeden aşınmaya, korozyon, kırılma ve çukurlaşmaya karşı, büyük bir dirence sahiptir. Stellite 12 ise yüksek sıcaklık, korozyon ve aşınma özelliklerine sahip olması dışında, işlenebilme özelliklerinden dolayı plastik, kâğıt ve halı üretim endüstrilerinde bıçak kesme uçlarında kullanılmaktadır. Ayrıca aşınma dayanımlarının iyi olmasından ve paslanmaz çeliklerde dâhil olmak özere kaynak edilebilen tüm çeliklere uygulanabilmelerinden dolayı fazla tercih edilmektedirler.

Bu çalışma St 52 çeliğinin yüzeyine farklı kimyasal özelliklere sahip Stellite 1, 6 ve 12 kobalt esaslı alaşımların kaplanmasını ve mikroyapı, mikrosertlik ve farklı Stellite kaplamaların kullanılarak mikroyapıya olan etkilerinin incelenmesi amaçlanmaktadır[6-10].

1 Corresponding author. Tel.: + 90 426 216 00 12 / 1963 E-mail address: zbalalan@bingol.edu.tr (Z.Balalan)

997

2. DENEYSEL YÖNTEM

Bu çalışmada Tablo 1 de kimyasal kompozisyonu verilen St 52 çeliği alttlık malzeme olarak kullanılmış ve kaplama malzemesi olarak yine Tablo 1 de özellikleri verilen Stellite1, 6 ve 12 kaplamalar kullanılmaktadırlar. TIG kaynağı ile kaplam yönteminin prensip şeması Şekil 1’ de görülmektedir. İşlem öncesi numunelerin yüzeyleri oksit ve kirlerden arındırmak için aseton banyosunda temizlenip kurutulduktan sonra TIG kaynağı ile yüzeyleri kaplanmıştır.

Mikroyapı incelemeleri için kaplama çizgisine dik olarak kesilen 30x10x10 boyutlarındaki numuneler alındı. Bu numuneler 400-1200 meshlik zımparalar kullanılarak yüzeyleri temizlendi, zımparalanarak parlatıldı. Zımparalama sonrasında 3 µm’lik elmas pasta ve çuha yardımıyla parlatma işlemleri yapıldı. Numunelerin dağlama işlemleri 25 gr FeCl3+ 25 ml HCl + 100 ml H2O ve 15 gr FeCl3+ 30 ml HCl + 100 ml H2O bileşimine sahip çözeltiler yardımı ile yapılmıştır.

Hazırlanan numunelerin optik resimleri Nikon-Eclipse L150 marka görüntü alma cihazı yardımı ile yapıldı. Mikroyapı ve element analizleri, taramalı elektron mikroskobu (SEM), elektron dağılımlı spektroskopi (EDS), elektron dağılımlı x-ray (EDX), x-ışını kırınımı (XRD) yarımı ile yapılmıştır.

Mikrosertlik incelemeleri Vickers tekniğiyle elmas uç kullanılarak 50 gram yük altında 10 saniye sürede gerçekleştirilmiştir. Numunelere yüzeyden ana malzemeye doğru bir çizgi boyunca sertlik ölçümlerim yanında, yüzeylerine paralel yönde de ölçümler alınmıştır.

Şekil 1. TIG Kaynağı ile kaplamanın uygulanışı[1]

Tablo I. Kullanılan Stellite kaplamaların ve St 52 çelğine ait kimyasal kompozisyonlar

Malzeme C Si Mn P S Cr Mo Ni W Fe Co Kalan St 52 Max. 0.2 Max. 0.55 Max.1.5 0.04 0.04 - - - - Bal. - - Stellite 1 2.45 ≤0.2 - - - 32 ≤0.1 ≤0.3 12 ≤0.3 Bal. ≤0.5 Stellite 6 1.27 ≤0.2 - - - 30 ≤0.1 ≤0.3 4-5 ≤0.3 Bal. ≤0.5 Stellite 12 1.4-1.8 ≤0.2 - - - 30 ≤0.1 ≤0.3 8 ≤0.3 Bal. ≤0.5

998

3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA

Şekil 2. Stellite kaplı numunelere ait SEM resimleri

Farklı stellite kaplamaları kullanılarak üretilen numunelere ait mikroyapı SEM resimleri şekil 2`de verilmiştir. SEM resimlerinden de açıkça görüldüğü gibi, en fazla dendritleşmenin stellite 1 kaplamalarında olduğu ve altlık olarak kullanılan St 52 malzemesinde de bir yapraklanmanın var olduğu görülmektedir. Bunun temel nedeni stellite 1 kaplamanın en fazla karbon içeriğine sahip olmasıdır. Ayrıca herhangi bir boşluk, çatlak veya bağlanmamanın ilk 1 ve 2 nolu numunede olmadığı görülmüştür. Ancak son numunede kaplama ve altlık arasında bölgesel bir kırılmanın olduğu görülmektedir. Stellite kaplamalarının mikroyapı özerine olan etkisinin fazla olduğu açıkça görülmüştür.

Şekil 3. Stellite 1 kaplı numuneye ait EDS resmi

999

Tablo II. stellite 1 kaplı numuneye ait EDS sonuçları

Elt. Conc 1 Conc 2 Conc 3 Conc 4 Conc 5 C 5.449 6.067 1.684 2.875 5.958 Si 0.820 0.236 2.875 5.754 5.862 Cr 0.442 0.096 14.290 27.747 29.887 Mn 1.362 1.329 0.958 0.783 0.446 Fe 90.555 91.029 59.160 30.420 23.290 Co 1.199 1.093 19.786 30.326 32.657 Ni 0.172 0.149 1.247 2.096 1.900 Total 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Stellite 1 kaplı numunenin altlık malzemesinden kaplamaya doğru beş farklı noktadan alınan EDS analizleri Tablo 2’de verilmiştir. EDS analiz sonuçlarından, st 52 çeliği tarafında Co varlığının tespit edilmesi difüzyona uğradığına işarettir. Tablo I sonuçları dikkatli incelendiğinde neredeyse var olan bütün elementlerin difüzyona uğradığı görülüyor. Ancak demirin ciddi anlamda bir alaşım oluşturduğu görülmüştür. Üst bölgede %23.29 olara Fe ölçülmüştür. Ayrıca dendritleşmenin ara bölgeye dik ve uzunlamasına olduğu uzaklaştıkça kısalıp serbest dağılım gösterdikleri görülmüştür.

Şekil 4. Stellite 6 kaplı numuneye ait EDS resmi

Tablo III. Stellite 6 kaplı numuneye ait EDS sonuçları

Elt. Conc 1 Conc 2 Conc 3 Conc 4 Conc 5 C 4.852 5.895 2.346 2.364 13.971 Si 1.243 1.401 4.806 5.172 6.073 Cr 0.314 0.329 28.239 29.710 26.943 Mn 1.071 1.026 0.147 0.268 0.234 Fe 91.380 90.243 11.925 9.966 8.232 Co 1.053 0.959 49.750 49.754 42.343 Ni 0.088 0.147 2.787 2.766 2.205 Total 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000

Şekil 4’te St 52 çeliğin yüzeyine TIG kaynak yöntemi kullanılarak Stellite 6 alaşımı kaplanması sonucunda elde edilen mikroyapı SEM fotoğrafı üzerinden alınan EDS bölgeleri görülmektedir. Bu fotoğraftan da görüleceği gibi, deney numunesinde beş farklı bölgenin varlığı dikkati çekmektedir. Bunlardan birincisi esas malzeme bölgesi(EM), ikincisi kaplama malzemesi bölgesi (KM), üçüncüsü her iki bölge arasında, hızlı soğuma ve alaşımlama sonucu oluşan ince bir sert geçiş bölgesi(GB), dördüncüsü altlık malzemede ara bölgeye bitişik bölge(ABB) ve beşincisi ise kaplama malzemesin de ara bölgeye bitişik bölge(KBB) olarak tespit edilmişidir.

Şekil 5’te stellite 12 kaplı numuneye ait EDS bölgelerini gösteren resmi ve Tablo 5 ise analiz sonuçlarını göstermektedir. Bu sonuçlar incelendiğinde kaplama malzemesi tarafında 1 nolu noktanın analiz değerlerine bakıldığında yüksek miktarda ana malzemenin esas elementi olan Fe, kaplama malzemesine geçtiği

1000

görülmektedir. 5 nolu noktaya doğru gidildiğinde Fe içeriğinin 1 noktasına göre daha az olduğu Cr miktarının yükseldiği C’ düzensizolduğu, Co miktarının yükseldiği Mn miktarının ise düştüğü görülmüştür.

Şekil 6. Süper Alaşımlar İle Kaplanmış St 52 Çelik Numunenin Mikrosertlik Değerleri

Şekil 6’da Stellite 1, Stellite 6 ve Stellite 12 süper alaşımlarının TIG kaynağı yöntemi ile düşük karbonlu numune üzerine kaplanması ile elde edilen sertlik değerleri grafiği görülmektedir. Grafik incelendiğinde Stellite alaşımlarının sertlik değerleri 450- 500 arasında başlamakta ve üst tabakaya doğru gidildikçe dengeli bir şekilde artmaya devam etmektedir. Daha derine inildiği zaman sertlik maksimum bir değere yükselmekte ve tekrar hız-ı bir şekilde düşmeye etmektedir. Birleşme bölgesinden esas malzemeye doğru gidildikçe 2mm mesafede esas malzemenin sertlik değerlerine ulaşılmaktadır. Altlık malzemenin sertliği en düşük olarak ölçülmüştür. Sertlik değerinin maksimum olduğu 3 mm mesafede Stellite 1 kaplı numunede 625, stellite 6 kaplı numunede 579 ve stellite 12 kaplı numunede ise 602 olarak ölçülmüştür. Stellite 1 süper alaşımının karbon içeriğinin fazla olmasından ölçülen mikrosertlik değerleri bu alaşımın Stellite 6 ve 12‘ ye göre daha yüksek olduğu görülmüştür. Kaplama işleminde tabakanın sertliği, ulaşılması gereken en önemli hedeflerden bir tanesidir. Mikrosertlik sonuçlarındandan bütün kaplamalarda süper alaşım kaplama malzemelerinin kendi yüzey sertlik değerlerine tek kat kaplama ile ulaşılmıştır.

4. SONUÇLAR TIG kaynak yöntemi ile St 52 çeliğinin yüzeyine Stellite 1, Stellite 6 ve Stellite 12 ile yapılan yüzey kaplama işlemi sonucunda önemli bulgular elde edilmiştir. Bunları aşağıda belirtildiği gibi sıralayabiliriz.

1. St 52 çeliğin yüzeyinin, stellite kaplamalar ile normal atmosfer şartlarında, herhangi bir ön ısıtma işlemine gerek kalmada TIG kaynağı ile kaplanabildiği görülmüştür.

2. Ulaşılmak istenen kaplama işleminde tabakanın sertliği, ulaşılması gereken en önemli hedeflerden bir tanesidir. Mikrosertlik sonuçlarından bütün kaplamalarda süper alaşım kaplama malzemelerinin kendi yüzey sertlik değerlerine tek kat kaplama ile ulaşılmıştır.

3. SEM resimlerinden deney numunesinde beş farklı bölgenin varlığı dikkati çekmektedir. Bunlardan birincisi esas malzeme bölgesi(EM), ikincisi kaplama malzemesi bölgesi(KM), üçüncüsü her iki bölge arasında, hızlı soğuma ve alaşımlama sonucu oluşan ince bir sert geçiş bölgesi(GB), dördüncüsü altlık malzemede ara bölgeye bitişik bölge(ABB) ve beşincisi ise kaplama malzemesin de ara bölgeye bitişik bölge(KBB) olarak tespit edilmişidir.

4. TIG kaynak yöntemiyle her hangi bir ön ısıtma işlemine gerek kalmadan tek paso ya da daha fazla kat sert yüzey kaplama işlemi her hangi bir problemle karşılaşmadan gerçekleştirilebileceği anlaşılmış. Sonuç olarak hem aşınmış özellikle büyük ebatlı makine parçalarının yeniden kullanımının sağlanması ve hem de ucuz malzemelerden daha uzun ömürlü makine parçaları imal edilebilmesi açısından önem arz eder.

1001

KAYNAKLAR [1] Mustafa Ulutan, M. Mustafa Yıldırım, Soner Buytoz, TIG yöntemiyle yüzeyi sertleştirilen AISI 4140 Çeliğinin

mikroyapı incelemesi, Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, (2009) Vol: XXII, No:1.

[2] Buytoz, S.,. Microstructural properties of SiC based hardfacing on low alloy steel. Surface and Coatings Technology, 200 (2006),3734-3742.

[3] Deng H, Shi H, Tsuruoka S. Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hardfacing coating. Surf Coat Technol (2010);204:3927–34.

[4] Singh R, Kumar D, Mishra SK, Tiwari SK. Laser cladding of Stellite 6 on stainless steel to enhance solid particle erosion and cavitation resistance. Surf Coat Technol (2014); 251:87–97.

[5] Mohammed Mohaideen Ferozhkhan et al. Plasma Transferred Arc Welding of Stellite6 Alloy on Stainless Steel for Wear Resistance, Procedia Technology 25( 2016 ) 1305–1311.

[6] Chakraborty G, Kumar N, Das CR, Albert SK, Bhaduri AK, Dash S, Tyagi AK. Study on microstructure and wear properties of different nickel base hardfacing alloys deposited on asteniktistainless steel. Surf Coat Technol 2014;244:180–88.

[7] Luo F, Cockburn A, Lupoi R, Sparkes M, O'Neill W. Perform0ance comparison of Stellite 6 deposited on steel using supersonic laser deposition and laser cladding. Surf Coat Technol (2012);212:119–27.

[8] Lolla T, Siefert J, Babu SS, Gandy D. Delamination failures of Stellite hardfacing in power plants: a microstructural characterisation study. Sci Technol Weld Join 2014;19:476-86.

[9] Minlin Zhong, Wenjin Liu, Kefu Yao, Jean-Claude Goussain, Ce´cile Mayer, Ahim Becker Microstructural evolution in high power laser cladding of Stellite 6+WC layers Surface and Coatings Technology 157 (2002) 128–137.

[10] Hongxia Deng, Huiji Shi, Seiji Tsuruoka, Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hardfacing coating, Surface & Coatings Technology 204 (2010) 3927–3934.

1002

Coating Hardox 450 Steel with Different Stellite Coatings via TIG Method

I.Kirik1, Z. Balalan2*, O. Ekinci2, M. Yaz3

1Department of Metallurgy and Materials Engineering, Bingol University, Bingol, Turkey 2Department of Mechanical Engineering, Bingol University, Bingol, Turkey

3Vocational High School, Firat University, Elazıg, Turkey

Abstract The aim of this study is to coat different stellite (1, 6 and 12) coatings which have different rates of carbon by tungsten inert gas (TIG) welding method. For microstructure investigations after welding process, SEM, EDX and X-Ray and microhardness tests were carried out. It was observed that using different stellite coatings having different features have an effective effect on microstructure and with dendritic nets between grains decreased with decreasing carbon content. In addition, it was determined that hardness increased with increasing carbon content in microhardness examinations and the highest hardness value of 762 HV in sample S1 was attained. Consequently, possitive results have been given for coating Hardox 450 steel with stellite through TIG method.

Keywords: Hardox 450, Stellite (1, 6 and 12), TIG

1. INTRODUCTION

The coatings of metals have concerned by many researches in the last years and new advanced methods were investigated to raise their properties [11]. However, the use of steels among the metals is greater because of their easy production, economical and they have wide use area. The surface coating of steels have two layer first is the cover layer and the second is the base material. Various surface coating methods have been commonly used to increase the lifetime and improve wear resistance using hard materials, metals and different composite coatings include different surface smelting methods. TIG process has been utilized several ways to improve the properties of metal surfaces in which the melting of the metal surface by occurs at the same time in both the surface layer and the substrate, the post-solidification coating material and the base metal form a solid solution or compound in different compositions and characteristics, resulting in a bonding effect.

The coating of steel surface by stellite (Co-Cr-C) alloy using TIG processes has a great importance considering the wear factors and the prevention of machine parts operating at high temperatures and pressures.

However, the literature review [1-10] shows that Stellite 1 is a cobalt based welding material and has the highest hardness and abrasion resistance in standard cobalt alloys. Stellite 6 has a great resistance to wear, corrosion, breakage and pitting at high operating temperatures and without altering the properties of the main material. Moreover, Stellite 12 is used in blade cutting tips in plastic, paper and carpet manufacturing industries due to its process ability, except that it has high temperature, corrosion and abrasion properties. These stellites are also highly preferred because of their good abrasion resistance and their ability to be applied to all steels that can be welded into stainless steels [12-13].

1 Corresponding author. Tel.: + 90 426 216 00 12 / 1963 E-mail address: zbalalan@bingol.edu.tr (Z.Balalan)

1003

This study presents stellite 1, 6 and 12 coatings on Hardox 450 steel produced with TIG method. The examination of microstructure, microhardness and influences of different stellite (1, 6 and 12) coatings which have different rates of carbon are introduced.

2. EXPERIMENTAL PROCEDURE In this study, commercially available standard Hardox 450 steel (30x10x100 mm) was used as the substrate material and Stellite1, 6 and 12 coatings were used as the coating material. Table 1 illustrates properties of materials used. The principle diagram of the TIG welding method is shown in Figure 1. In order to remove the oxide and dirt from the surfaces of the samples before the process, the samples were cleaned and dried in the acetone bath, and then the surfaces were covered with the TIG source.

After coatings for microstructure studies, samples of 30x10x10 dimensions were cut perpendicular to the coating line. The samples were cleaned and polished using 400-1200 grit abrasives. After sanding, polishing with 3 μm diamond paste and cloth was done. Etching of the samples was carried out with the aid of 25 g FeCl3 + 25 ml HCl + 100 ml H2O and 15 g FeCl3 + 30 ml HCl + 100 ml H2O.

The optical images of the prepared samples were taken with the help of Nikon-Eclipse L150 brand image pickup device. Microstructure and element analysis were performed with scanning electron microscopy (SEM), electron scattering spectroscopy (EDS) and x-ray diffraction (XRD).

Fig. 1. Application of coating with TIG Welding [1]

Table I. Chemical compositions of Stellite coatings and Hardox 450 steel used.

Material C Si Mn P S Cr Mo Ni W Fe Co Hardox 450 0.26 0.70 1.6 0.025 0.01 1.4 0.6 1.5 - Bal. - Stellite 1 2.45 ≤0.2 - - - 32 ≤0.1 ≤0.3 12 ≤0.3 Bal. Stellite 6 1.27 ≤0.2 - - - 30 ≤0.1 ≤0.3 4-5 ≤0.3 Bal. Stellite 12 1.4-1.8 ≤0.2 - - - 30 ≤0.1 ≤0.3 8 ≤0.3 Bal.

1004

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Scanning Electron Microscopy (SEM) of Coatings EDS Results

Fig. 2. Micrographs of stellite 1 coating and hardox 450 and EDS point

Figure 2 illustrates SEM images and EDS points of the sample 1 that was coated by TIG on hardox 450. As it is clear from the SEM picture, it is seen that substrate material and stellite 1 coating separated by a clear line and the dendrites appear to extend perpendicular to the surface. The longest dendrite is in stellite 1 coating and that there is foliage on the hardox 450 material used as substrate. But it is seen that there is a transition between the intermediate coating and the surface and it is believed the main reason for this is that the stellite 1 coating has the most carbon content.

1005

Fig. 3. Micrographs of stellite 6 coating and hardox 450 and EDS point

SEM examinations of the TIG-cladded stellite 6 revealed that the transition distance between surface and substrate decrease and it was clearly seen that the dendritic structure of the separate vein became more apparent. Furthermore, the cracks and defects were not observed in the coatings prepared on all stellites coating and revealed a regular, vertical orientation of dendrites, which corresponds to the growth direction of crystals during solidification [12] – see Figure 3.

1006

Fig. 4. Micrographs of stellite 12 coating and hardox 450 and EDS point

Figure 4 is presented SEM micrograph coating structure of stellite 12. it has been observed that there is a significant change in the morphology of the dendritic structure formed during solidification to the surface over the hardox substrates due to the increased carbon content of stellites. The coatings on hardox steel substrates had a concentrated dendritic appearance and produced a coarser-dendritic structure.

EDS results of stellites coating on hardox is seen in figure 5. When the results are examined, it is seen that they are similar in all three results. Cr, Co and other alloying elements of the coating form a dense alloy towards the base material at a distance of 1 mm. Similarly, it was seen that Fe had a migration towards covering at the same distance.

1007

Fig.5. EDS results of stallite 1 (a) stellite 6 (b) stellite (12) coating, respectively

a

b

c

1008

3.2. Microhardness

Fig. 6. Mikrohardness of stellite (1, 6 ve 12) coating of hardox 450

Figure 6 shows the hardness values of Stellite 1, Stellite 6 and Stellite 12 superalloys on hardox steel by TIG welding. When the graph is examined, the hardness values of the Stellite alloys start at 200-300 and continue to rise steadily as they go towards the top layer. When closer to the surface, the hardness rises to a maximum value and the stellite 1 coated sample reaches a much higher value due to the carbon content. The hardness values of the main material are reached at the distance of 2 mm from the junction area towards the main material. The maximum value of hardness was measured as 750HV in stellite 1, 458HV in stellite 6 and 459HV in stellite12.

4. CONCLUSION

Significant findings were obtained as a result of surface coating with Stellite 1, Stellite 6 and Stellite 12 on the surface of hardox 450 steel with TIG welding method. We can sort them as follows:

1. The surface of the hardo steel can be covered with stellite 1, stellite 6 and stellite 12 via TIG welding under normal atmospheric conditions, without any preheating process.

2. In the coating process the most important targets is hardness of the layer. From the microhardness results, the surface hardness values of the superalloy coating materials in all coatings were reached with single layer coating.

3. The coatings stellites on hardox 450 steel substrates had a concentrated dendritic appearance and produced a coarser-dendritic structure.

4. The hardness values of the Stellite alloys start at 200-300 HV and continue to rise between 450-700HV steadily as they go towards the top layer.

5. It has been understood that one pass or more hard surface coating can be carried out without encountering any problems without any preheating by TIG welding method. As a result, it is important to re-use both worn and especially large-sized machine parts, and also to manufacture machine parts longer than cheap materials.

REFERENCES [1] Mohammed Mohaideen Ferozhkhan et al. Plasma Transferred Arc Welding of Stellite6 Alloy on Stainless Steel for

Wear Resistance, Procedia Technology 25( 2016 ) 1305–1311.

[2] Singh R, Kumar D, Mishra SK, Tiwari SK. Laser cladding of Stellite 6 on stainless steel to enhance solid particle erosion and cavitation resistance. Surf Coat Technol (2014); 251:87–97.

[3] Mehmet Yaz, Halis Çelik co esaslı süper alaşımlar ile kaplanan düşük karbonlu çeliklerin mikroyapı incelemeleri Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları; 2006.

Hardox 450 Stellite (1, 6 and 12)

1009

[4] Buytoz, S.,. Microstructural properties of SiC based hardfacing on low alloy steel. Surface and Coatings Technology, 200 (2006),3734-3742.

[5] Deng H, Shi H, Tsuruoka S. Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hardfacing coating. Surf Coat Technol (2010);204:3927–34.

[6] Chakraborty G, Kumar N, Das CR, Albert SK, Bhaduri AK, Dash S, Tyagi AK. Study on microstructure and wear properties of different nickel base hardfacing alloys deposited on asteniktistainless steel. Surf Coat Technol 2014;244:180–88.

[7] Luo F, Cockburn A, Lupoi R, Sparkes M, O'Neill W. Perform0ance comparison of Stellite 6 deposited on steel using supersonic laser deposition and laser cladding. Surf Coat Technol (2012);212:119–27.

[8] Lolla T, Siefert J, Babu SS, Gandy D. Delamination failures of Stellite hardfacing in power plants: a microstructural characterisation study. Sci Technol Weld Join 2014;19:476-86.

[9] Minlin Zhong, Wenjin Liu, Kefu Yao, Jean-Claude Goussain, Ce´cile Mayer, Ahim Becker Microstructural evolution in high power laser cladding of Stellite 6+WC layers Surface and Coatings Technology 157 (2002) 128–137.

[10] Hongxia Deng, Huiji Shi, Seiji Tsuruoka, Influence of coating thickness and temperature on mechanical properties of steel deposited with Co-based alloy hardfacing coating, Surface & Coatings Technology 204 (2010) 3927–3934.

[11] Mustafa Ulutan, M. Mustafa Yıldırım, Soner Buytoz, TIG yöntemiyle yüzeyi sertleştirilen AISI 4140 Çeliğinin mikroyapı incelemesi, Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, (2009) Vol: XXII, No:1.

[12] Rafał Jendrzejewski , et all. Properties of laser-cladded stellite coatings prepared on preheated chromium steel. Materials and Design 29 (2008) 187–192.

[13] Alain Kusmokoa, Druce Dunnea, Huijun Lia, David Nolanb Effect of Two Different Energy Inputs for Laser Cladding of Stellite 6 on P91 and P22 Steel Substrates Procedia Materials Science 6 ( 2014 ) 26 – 36.

1010

The Effect of Different Flow Rates on the Calcite Percentage and Seepage Rate in Biological Improvement of Soils

H. Akoğuz1* , S.Çelik2, Ö. Barış3

1Motorlu Araçlar ve Ulaştırma Teknolojileri Bölümü, Erzincan Binali Yıldırım Üniversitesi, Refahiye, Erzincan, Türkiye

2 Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Atatürk Üniversitesi, Yakutiye, Erzurum, Türkiye

3Fen Fakültesi Biyoloji Bölümü, Atatürk Üniversitesi, Yakutiye, Erzurum, Türkiye

Abstract In recent years, as a result of fast paced developments in construction sector and industry new areas have been opened and extended for construction, therefore building works has to be carried out on problematic soils as regards to settlement, bearing capacity, and liquefaction etc. Before construction on problematic soils, soils need to be improved. Many different techniques are used to improve soils. Recently, studies on biological soil improvement, a new soil improvement technique, have increased considerably. Microbiologically induced calcium carbonate precipitation (MICP) is a process that induces calcium carbonate precipitation within the soil matrix. The biological soil improvement technique can improve many properties of the soils. However, since there is a new technique, uncertainties remain as to what kind of results will be produced in different types of soils. Most studies in the literature about MICP have been performed using fine-grained silica sand and Bacillus pasteurii bacteria. In this study, it is aimed to improve a sand soil with Viridibacillus arenosi bacteria. The soils were placed at 35% relative density in the molds. The prepared samples were given culture medium and stock solutions at three different flow rates and the seepage rates and calcite ratios were determined at the end of three days. As a result, it has been found that the calcite ratios formed and seepage rates are dependent on the flow rate.

Keywords: MICP, Microbially Induced Calcite Precipitation, Calcite ratio, Seepage rate, Viridibacillus arenosi.

1. GİRİŞ

Son yıllarda endüstri, sanayi ve inşaat sektöründeki hızlı gelişmeler sonucunda imara yeni yerler açılmış, inşaat sahaları genişlemiş böylece zayıf zeminler üzerine yapılar inşa edilmek zorunda kalınmıştır. Zayıf zeminler genellikle düşük dayanım ve yüksek sıkışabilirlik karakteristiklerine sahiptirler[1], [2]. Bu zayıf zeminler beraberinde birçok sorunu gündeme getirmiştir. Zeminlerin yapıdan gelen yükleri güvenle taşıyabilmesi için projede değişikliklere gidilmesi, mevcut zeminin taşıma gücü yüksek bir zeminle yer değiştirilmesi ve zeminlerin iyileştirilmesi gibi yöntemlere başvurulmuştur.

Son yıllarda zeminlerin biyolojik iyileştirmesini konu alan çalışmalar artmıştır. Biyolojik zemin iyileştirmesi diğer bir değişle Kalsiyum karbonat çökelmesi reaksiyonu bir dizi kimyasal prosesler sonucunda gerçekleşmektedir. Sıvı besiyerinde bakteri aracılığı ile gerçekleşen reaksiyon sonucunda amonyum ve karbonat (1) oluşmaktadır [3].

* Corresponding author E-mail address: hakoguz@erzincan.edu.tr (H. Akoguz).

1011

CO(NH2)2 + 2H2O 2NH4+ + CO32- (1) Kültür ortamına CaCl2 stok çözelti eklendiğinde (Şekil 1.1) gerçekleşen reaksiyon sonucunda oluşan karbonat iyonları kalsiyum ile reaksiyona girerler ve pH değerinin yükselmesi ile kalsiyum karbonat çökelmesi (2) meydana gelir [3].

Ca2+ + CO32- CaCO3(k) (2)

Literatürde zeminlerin biyolojik iyileştirmesinde kullanılan bir kaç bakteri türü mevcuttur. Kalsiyum karbonat oluşumunda literatürde yapılan birçok çalışmada Bacillus pasteurii bakterisi kullanılmıştır [4–11]. Zeminlerin biyolojik iyileştirmesi reaksiyonunu etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Biyolojik zemin iyileştirilmesinde kritik faktörler pH, oksijen miktarı, metabolik durum, mikrop konsantrasyonu, kalsiyum iyonları ve aşılama sayısı şeklinde sıralanabilir [8]. Bu çalışmada literatürden farklı olarak Viridibacillus arenosi bakterisi kullanılmıştır. Farklı akış hızları kullanılarak sızma hızları ve oluşan kalsit yüzdeleri incelenmiştir.

2. MATERYAL VE METOD

2.1. Deneylerde Kullanılan Zemin

Deneylerde kullanılan kumun granülometri eğrisi Şekil 2.1.’de ve bazı geoteknik özellikleri ise Çizelge 2.1.’de verilmiştir.

Şekil 2.1. Deneylerde kullanılan kum zeminin granülometri eğrisi

Çizelge 2.1. Deneylerde kullanılan kum zeminin bazı geoteknik özellikleri

Özellik Birim Değer

Özgül ağırlık, Gsa - 2.65 D10

d mm 0.41 D30

d mm 0.46 D60

d mm 0.55 Üniformluluk katsayısı, Cud - 1.34 Eğrilik katsayısı, Ccd - 0.94 Minimum boşluk oranı, emin

b - 0.87 Maksimum boşluk oranı, emax

c - 1.22 Boşluk oranı, e (Dr=35 %) - 1.115 aASTM D854-14 bASTM D4253-14 cASTM D4254-14 dASTM D2487-11 eASTM D3080-98

1012

2.2. Bakteri ve Sıvı Besiyeri

Kalsiyum Karbonat reaksiyonunun gerçekleşmesi için yüksek üreaz aktivitesine sahip presipitasyonda rol aldığı bilinen gram pozitif in vitro kalsiyum karbonat çöktürebilen Viridibacillus arenosi K64 izolatı kullanılmıştır. İlgili izolatın daha önce mağaralardan elde edilmiş ve kalsiyum karbonat çökeltisi oluşturduğu tespit edilmiştir. Bakterinin tanısı 16S rDNA dizi analizleri kullanılarak yapılmıştır. Atatürk Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümündeki Moleküler Biyoloji ve Bakteriyoloji Laboratuvarından temin edilmiştir.

Sıvı besiyeri olarak [12] çalışmasında kullanılan ve içeriğinde Tryptic Soy Broth, 30g/L; urea, 20 g/L; MnSO4•H2O, 12 mg/L; NiCl2•6H2O, 24 mg/L bulunan besiyeri kullanılmıştır. Tüm işlemler steril şartlar altında uygulanmıştır.

2.3. Uygulama Yöntemi

Zeminler 63 mm çapında ve 30 mm yükseklikte kalıplara Dr=%35 rölatif sıkılıkta yerleştirilmiştir. Alt ve üst kısımlarında çakıldan filtre ve çakıl ile zemin arasında sünger filtre kullanılmıştır. Deneylerin oluşturulmasında referans [12] ‘de kullanılan yöntemden de faydalanılmış ve modifikasyonu yapılarak uygulanmıştır. Sıvı besiyeri steril edildikten sonra bakteri ekimi yapılmış ve 48 saat 120 rpm hızında 25 ℃ ortam sıcaklığında çalkalayıcıda çalkalanmıştır. Daha sonra kültür ortamı kalıplara yerleştirilen zeminlere peristaltik pompalar vasıtasıyla 24 saat çevrim şeklinde uygulanmıştır. Kültür ortamı uygulandıktan sonra, 240 mL 1.5 M Üre + 0.75 M CaCl2 stok solüsyon 72 saat süreyle farklı pompa hızlarında (0.266 mL/sn, 0.40 mL/sn ve 0.666 mL/sn) zeminlere tatbik edilmiştir. İyileştirme döngüsü tamamlandıktan sonra numuneler 14 gün boyunca 60 ℃ sıcaklıktaki etüvde kuruması için bekletilmiştir. Her bir numune için 3 tekrar yapılmıştır. Uygulama düzeneği Şekil 2.2. de verilmiştir.

Şekil 2.2. Uygulama düzeneği

2.4. Sızma Hızı Analizi

Kalıplara yerleştirilmiş zemine yapılan uygulama esnasında, kalıbın alt kısmından süzülen (kültür ortamı vb) miktarlar ölçülmüştür. Tıkanmanın pompa hızına ve ilk güne oranla ne kadar değiştiği belirlenmiştir. 2.5. Kalsit Yüzdesi Analizi

Etüvden çıkarılan numunelerde oluşan kalsit yüzdesi belirlenmiştir. Kalsit içeriğinin belirlenmesinde asit uygulanması sonucu oluşan ağırlık kaybı tekniği kullanılmıştır. Ölçümler için kalıplardan çıkarılan zeminin orta kısımlarından örnekler alınmıştır. Kalsiyum karbonat yüzdesinin belirlenmesinde birçok farklı metot bulunmaktadır. Bu metodun seçiminde kolaylığı ve aparatların mevcut olması etkili olmuştur [13]. Bu

1013

metotta 5 g numune 20 mL 1 M HCL ile karıştırılır. Ondan sonra çözülmüş partiküller 200 nolu elek çapına sahip filtre kâğıdı ile 10 dakika süreliğine saf su kullanılarak yıkanır. Yıkama süreci ile tüm çözünebilen kalsiyum kaynakları yıkanmış olur. Sonra kalan zemin daneleri tekrar elenir ve kurutularak tartılır. İlk numunenin ağırlığı (A) ve yıkanarak kurutulan numunenin (B) ağırlık farkı bize kalsiyum karbonat ağırlığını verir. Sonrasında kalsiyum karbonat yüzdesi aşağıdaki formülle hesaplanır [14]. Kalsiyum karbonat yüzdesi (%) = 100 - ( ) x 100

3. BULGULAR VE TARTIŞMA

3.1. Sızma Hızının Değişimi

Kültür ortamı zemine 24 saat süre ile farklı akış hızlarında uygulanmıştır. Stok solüsyon eklenmeden önce sızma hızları ölçülmüştür. Şekil 3.1. de görüldüğü gibi farklı akış hızları zeminlerden geçen kültür ortamının sızma hızlarını da etkilemiştir. Sızma hızları 24 saatlik kültür ortamının akış hızlarına benzer sonuçlar göstermiştir. 2. gün stok solüsyon (1.5 M Üre + 0.75 M CaCl2) eklendiğinde sızma hızlarında düşüşler meydana gelmiştir. Bu durum kalsiyum karbonat reaksiyonunun başlamasıyla zeminlerde tıkanmanın başladığını ve geçirimliliğin azaldığını göstermektedir.

Şekil 3.1. Zeminlerde sızma hızlarının zamana bağlı değişimi

Şekil 3.2.’de stok solüsyonun eklenmesinden sonra sızma hızlarındaki azalma yüzdeleri gösterilmiştir. 0.266 mL/sn akış hızına sahip numunelerin sızma hızı stok solüsyonun eklenmesinden 24 saat sonra % 58.57 lik bir düşüş göstermiştir. Sonrasında ise sızma hızı artmış ve tekrar azalmıştır. Akış hızı 0.666 mL/sn olan numunelerde de aynı şekilde sızma hızında ikinci günde artış ve sonrasında azalma görülmüştür. Akış hızı 0.40 mL/sn. lik numunelerde ise zamana bağlı olarak sızma hızı azalmıştır. Tüm numunelerde tıkanmalar meydana gelmiş ve bunun sonucunda sızma hızları düşmüştür. Akış hızlarının farklı olmasının 3 günlük stok solüsyon uygulanması sonucundaki sızma hızları üzerinde çok fazla bir etkisinin olmadığı görülmüştür.

1014

Şekil 3.2. Uygulama yapılan zeminlerde ilk güne oranla sızma hızlarındaki azalma yüzdeleri

3.2. Kalsit Yüzdesi Sonuçları Şekil 3.3.’de 3 günlük stok solüsyon eklenmesi sonucunda oluşan kalsit yüzdeleri görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi en yüksek kalsit yüzdesi 0.40 mL/sn akış hızına sahip numunelerde görülmüştür. 0.666 mL/sn akış hızına sahip numunelerde de benzer kalsit yüzdeleri ölçülmüştür. 0.266 mL/sn akış hızına sahip numunelerde ise oluşan kalsit yüzdesi azalmıştır.

Şekil 3.3. Uygulama yapılan zeminlerde uygulama sonucunda oluşan kalsit yüzdeleri

4. SONUÇLAR 3 günlük yapılan bu uygulama sonucunda sızma hızları ve oluşan kalsit oranları belirlenmiştir. 0.40 mL/sn akış hızı uygulanan numuneler ile 0.266 mL/sn akış hızı uygulanan numunelerde 3. gün sonunda sızma hızları yaklaşık olarak aynı değere sahip olmuştur. Ancak, akış hızının artmasıyla oluşan kalsit miktarıda artmıştır. Akış hızının oluşan kalsit miktarını etkilediği görülmektedir. 0.666 mL/sn ’lik akış hızına sahip numuneler incelendiğinde kültür ortamının verildiği ilk 24 saatlik sürede kalsiyum karbonat çökelmesi reaksiyonu

1015

başlamadığından sızma hızı akış hızına benzer değerler almıştır. Ancak stok solüsyonun eklenmesiyle kalsiyum karbonat çökelmesi reaksiyonu başlamış ve 3 günlük sürede akış hızına göre yaklaşık %87 lik bir düşüş görülmüştür. Bu azalma diğer akış hızlarındaki numunelerde daha az olmuştur. 3. gün sonunda tüm numunelerde sızma hızları birbirine yakın değerler almış ancak oluşan kalsit miktarları değişkenlik göstermiştir. En az kalsit oluşan 0.266 mL/sn akış hızına sahip numunelere bakıldığında uygulama sonucunda sızma hızının ilk güne oranla yaklaşık %44 azaldığı görülmektedir. En yüksek sızma hızı da (en düşük tıkanma) yine bu numunelerden elde edilmiştir. En iyi tıkanma (en düşük sızma hızı) 0.666 mL/sn akış hızına sahip numunelerden elde edilmiştir. En yüksek kalsit oranı ise 0.40 mL/sn akış hızına sahip numunelerde görülmüştür. Yapılan bu çalışmada numunelere verilen kültür ortamı ve stok solüsyonun akış hızının oluşan kalsit yüzdesini ve sızma hızını etkilediği görülmüştür. Ancak numune boyutları, zemin sınıfı, akış hızları, uygulama süreleri, biyolojik faktörler vb. değiştikçe sonuçlarında değişebileceği düşünülmektedir.

REFERENCES [1] B. Kim Huat, “Deformation and shear strength characteristics of some tropical peat and organic soils,” Pertanika J.

Sci. Technol., vol. 14, no. 1 & 2, pp. 61–74, 2006.

[2] M.-H. Ho and C.-M. Chan, “Some mechanical properties of cement stabilized Malaysian soft clay,” World Acad Sci Eng Technol, vol. 74, pp. 24–31, 2011.

[3] L. Cheng and R. Cord-Ruwisch, “Upscaling effects of soil improvement by microbially induced calcite precipitation by surface percolation,” Geomicrobiol. J., vol. 31, no. 5, pp. 396–406, 2014.

[4] S. Stocks-Fischer, J. K. Galinat, and S. S. Bang, “Microbiological precipitation of CaCO 3,” Soil Biol. Biochem., vol. 31, no. 11, pp. 1563–1571, 1999.

[5] S. K. Ramachandran, V. Ramakrishnan, and S. S. Bang, “Remediation of concrete using microorganisms,” ACI Mater. J., vol. 98, no. 1, 2001.

[6] S. S. Bang, J. K. Galinat, and V. Ramakrishnan, “Calcite precipitation induced by polyurethane-immobilized Bacillus pasteurii,” Enzyme Microb. Technol., vol. 28, no. 4, pp. 404–409, 2001.

[7] V. S. Whiffin, “Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocement.” Murdoch University, 2004.

[8] J. T. DeJong, M. B. Fritzges, and K. Nüsslein, “Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear,” J. Geotech. Geoenvironmental Eng., vol. 132, no. 11, pp. 1381–1392, 2006.

[9] V. S. Whiffin and L. A. Van Paassen, “Microbial Carbonate Precipitation as a Soil Improvement Technique,” pp. 417–423, 2007.

[10] G. D. O. Okwadha and J. Li, “Chemosphere Optimum conditions for microbial carbonate precipitation,” Chemosphere, vol. 81, no. 9, pp. 1143–1148, 2010.

[11] S. Li, “A laboratory study of the effects of bio-stabilization on geomaterials by Shengting Li A thesis submitted to the graduate faculty In partial fulfillment of the requirements for the degree of MASTER OF SCIENCE Major : Civil Engineering ( Geotechnical Engin,” 2013.

[12] L. I. Bing, “GEOTECHNICAL PROPERTIES OF GEOTECHNICAL PROPERTIES OF BIOCEMENT TREATED SAND AND CLAY School of Civil and Environmental Engineering,” 2015.

[13] M. L. Lee, W. S. Ng, and Y. Tanaka, “Stress-deformation and compressibility responses of bio-mediated residual soils,” Ecol. Eng., vol. 60, pp. 142–149, 2013.

[14] S.-G. Choi, S.-S. Park, S. Wu, and J. Chu, “Methods for calcium carbonate content measurement of biocemented soils,” J. Mater. Civ. Eng., vol. 29, no. 11, p. 6017015, 2017.

1016

Improving Software Development Processes Using Semantic Web Technologies

M.Milli1, E. Unsal2*, M.Milli3, Ö. Aktaş4

1 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi, Bolu, Türkiye 2 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas, Türkiye

3 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Bartın Üniversitesi, Bartın, Türkiye 4 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir, Türkiye

Abstract Nowadays, software is vital for many fields, firstly in fields such as industry, academic, trade, and education. The importance of software for companies, make software development processes also important, in terms of meeting the requirements of the software product. Although the software development process is different for each methodology, it usually consists of seven main steps: requirement gathering, planning, analysis, design, coding, testing, and maintenance. Each of these steps is an important and complex process for the quality of the software product within itself. Because the success of one step is definitely related to the successes of the other steps. Rapid and efficient reporting of these complicated processes is another problem that the software development industry needs to solve. In this article, semantic web technologies were integrated into software development processes and a prototype was created, in order to manage this complex process. At the end of the paper, the results of the proposed approached are discussed. In future work, this prototype will be developed to define certain standards. Along with this, the software development process ontology created in this study is thought to alignment with one of the basic ontologies such as DOLCE, SUMO accepted in the literature, in order to work with ontologies formed in different fields to support semantic integrity.

Keywords: Ontologies, Resource Description Framework, Semantic Web, Software Development Process.

1. GİRİŞ

Yazılım geliştirme döngüsü genellikle gereksinimlerin toplanması, planlama, analiz, tasarım, kodlama, test ve bakım olmak üzere yedi ana adımdan oluşur. Bu adımların her biri dolaylı veya direkt yazılım kalitesini önemli ölçüde etkilemektedir1. Yazılım kalitesi, yazılım mühendisliği ve programlama alanında her daim gelişme bekleyen en önemli konulardan biridir. Programlamanın başlangıcından beri yazılımın kalite süreci kendi içinde bulunduğu koşullardan etkilenmiştir. Bu yüzden günümüze gelene kadar birçok farklı içeriğe ve tanımlamaya sahip olmuştur. Ancak günümüzün en yaygın kullanılan tanımlarından birisi, bir sistemin, bileşenin veya işlemin daha önceden belirlenen gereksinimleri karşılama derecesidir. Bu çalışmanın temel amacı, yazılım geliştirme sürecinin kalitesini artırmaya yardımcı olmak için, yazılım süreçlerine, ontoloji, RDF gibi anlamsal web teknolojilerini entegre etmektir. Bununla beraber yazılım süreçlerinin yönetimi için bir taksonomi oluşturup paydaşlar arasında önceliklerin daha sağlıklı belirlenmesini sağlamak bir başka amacımızdır.

Son yarım asırdır bilgisayar dünyası muazzam gelişmelere tanıklık ederken bilgisayar biliminin en vazgeçilemez konularından biri olan yazılım geliştirme süreçlerinde de bir takım yenilikler meydana gelmektedir. Geçmiş yıllarda yazılım geliştirme süreçleri daha doğrusal ve daha az karmaşık iken günümüzde artan taleplerin yanı sıra yazılım geliştirme süreçleri de daha karmaşık bir hale gelmeye başlamıştır. Yazılım yöntemleri ve geliştirme ortamları, birçok farklı iş kollarının beklenti ve ihtiyaçlarını karşılamak zorunda

1 * Corresponding author. Tel.: +90 505 670 48 96 E-mail address: eunsal@cumhuriyet.edu.tr (E.Unsal).

1017

kalmıştır. Bu farklılıklar, çok kullanıcılı yerel sistemlerden, internet gibi küresel bir ağda hizmet vermekte olan dağıtık ortamlara, farklı sistem ve platformlarda çalışmak zorunda olan programlardan, birbiri ile uyum içeresinde çalışması beklenen yazılım parçalarını içerebilmektedir[1].

Bu çalışma dört ana bölümden oluşmaktadır. 2. Bölümünde çalışmaya ilham veren temel alanlar olan anlamsal web teknolojileri ve yazılım geliştirme süreçleri anlatılmaktadır. 3. Bölümde çalışmada kullanılan metot ve teknolojileri kapsamaktadır. Son bölüm olan 4 Bölümde ise çalışmanın sonuçları tartışılarak gelecek çalışmalar için öngörüde bulunulmuştur.

2. TEMEL ALANLAR

Bu çalışmaya ilham veren iki temel alan bulunmaktadır. Birincisi bilgisayar dünyası var olduğundan beri ihtiyaçlar doğrultusunda devamlı değişim geçiren yazılım geliştirme temel alanıdır. İkincisi ise son yıllarda akademik açıdan çok fazla ilgi duyulan ve hala çalışılmaya ihtiyaç duyulan anlamsal web temel alanlarıdır.

2.1. Anlamsal Web Teknolojileri

Anlamsal web, kurucusu olan Tim Bernars Lee’nin de [2] ifade ettiği gibi bugünkü webden farklı bir web olmayıp bilgiyi birbiri ile entegre ederek daha anlamlı hale getiren şu anki webin uzantısı olan bir teknolojidir. Günümüzde çoğu web içeriği insan tüketimi için oluşturulmuştur, bu nedenle makineler ve bilgisayarlar bu içerikleri anlamaya uygun değildir. Anlamsal web fikrinin arkasında bir Web sayfasının içeriğinin, hem insan tarafından okunabilir hem de makine tarafından okunabilir bir sürümünü eşzamanlı olarak oluşturacak şekilde işaretlenmesidir. Böylelikle, makine tarafından okunabilir sürüm, daha sonra yazılım aracıları (ajanlar) tarafından kullanılabilir olacaktır.

Şek.1. Anlamsal web katmanları

Anlamsal web teknolojilerin temel amacı, daha akıllı web içerikleri oluşturmak, makine etkileşimini sağlamak ve herhangi bir denetçi olmaksızın bilgi işlemektir [3]. Anlamsal web teknolojileri basamakları Şek.1.’de gösterilmiş ve aşağıda maddeler halinde kısaca açıklanmıştır.

2.1.1. Evrensel Kaynak Tanımlayıcısı / Uluslararası Kaynak Tanımlayıcısı (URI/IRI): W3C tarafından standartları belirlenen ve internet sitesi, belge, resim, tablo gibi bir kaynağın ismini belirlemek için kullanılan bir karakter kümesidir.

2.1.2. Genişletilebilir İşaretleme Dili (XML): XML, W3C tarafından geliştirilen genişletilebilir işaretleme dili anlamına gelir. Hem bilgisayarlar hem de insanlar tarafından okunabilen yarı yapılandırılmış bir dildir. XML belgeleri, bazı ek bilgilerle ağaç yapısını kullanarak bilgiyi temsil eder. Bu ağaç yapıları etiketler, öğeler ve nitelikler kullanılarak oluşturulur.

2.1.3. Kaynak Tanımlama Çerçevesi (RDF): Web ‘deki bilgileri temsil etmek için kullanılan standart veri modelidir. RDF, World Wide Web Konsorsiyum (W3C) teknik özelliklerinin bir ailesidir ve aynı zamanda bilgi yönetimi uygulamalarını da kullanır [4]. RDF işaretleme dili kullanılarak Web üzerindeki herhangi bir

1018

bilgi, resim, belge bir kaynak olarak tanımlanabilmektedir. RDF, web üzerindeki bilgiyi RDF üçlüsü denilen yapıda tutmaktadır. RDF dili <Özne, Yüklem ve Nesne> üçlüsünün bir ilişkisel veri tabanında kolayca saklanabileceği bir koleksiyon olarak temsil edilen verilerdir. Basit bir RDF üçlüsü Şek.2.’de gösterilmiştir.

Şek.2. RDF üçlüsünün temel yapısı.

2.1.4. Kaynak Tanım Çerçevesi Şeması (RDFS): RDFS RDF'nin veri modelini genişleten bir tür sistemin temsilidir. Belirli bir alanda kullanılacak sistemdeki bir dizi kelimeyi tanımlar. Başka bir deyişle, RDF Şema mekanizması, RDF veri modellerinin kaynakları tanımlamak için kullanılabilecek geçerli terimlerin bir sözlüğünü sağlar [5].

2.1.5. RDF Sorgu Dili (SPARQL): Kullanıcılar bir RDF kaynağına sahipse, RDF üçlüsü kaynakların arasındaki ilişkilerden dolayı özelliklerinden yararlanarak diğer RDF kaynaklarına erişebilirler. Bu sayede kullanıcılar ihtiyaç duydukları bilgiye mümkün olan en kısa sürede ulaşabilirler. Ancak, internetteki devasa veri kütleleri arasında bilgiye erişmek, hem zaman alan hem de iş gücü kaybına neden olmaktadır. Bu nedenle SPARQL sorgu dili, web içerikleri RDF standartlarını incelemek veya sorgulamak için geliştirilmiştir. Sözdizimi SQL sorgu cümlelerine benzemektedir.

2.1.6. Ontoloji: Genel olarak ontoloji, felsefede kullanılan bir terimken, 90'ların sonunda yapay zekâ terimi olarak da kullanılmaya başlanmıştır. Ontolojiler, semantik ağ oluşturmada en önemli role sahip olan bileşenlerden biridir. Akademik alanda pek çok ontoloji tanımı vardır. Fakat Gruber’in 1995 yılında yaptığı tanım günümüzde en çok kullanılan tanımıdır. Gruber’e göre ontolojiler kavramsallaştırmanın açık gösterimidir [6]. Bir ontoloji dosyasında ontolojinin içeriğine uygun olarak sınıflar (class), sınıflara ait öznitelikler (data property), bu sınıflar arası ilişkiler (relation, object property), sınıf örnekleri (instance) ve bu sınıf örneklerine ait öznitelik değerleri (value) bulunur.

2.2. Yazılım Geliştirme Süreci

Yazılım, yürütülebilir programlama kodu, ilgili kütüphaneler ve belgelerden oluşan koleksiyon olarak kabul edilir. Yazılım geliştirme süreci yazılımın bir fikir olarak ortaya çıkmasından ihtiyaç karşılanıp kullanım dışı kalana kadar geçen süreçtir. Yazılım geliştirme, birçok aşamadan oluşan karmaşık bir süreçtir. Her aşama, geliştirme ve planlama sürecine ek olarak çok fazla evrak ve dokümantasyon gerektirir. Yazılım geliştirme adımları kısaca aşağıda anlatılmaktadır [7].

2.2.1. Gereksinimlerin Toplanması (Requirement Gathering): Gereksinim toplama genellikle herhangi bir yazılım ürününün ilk kısmıdır. Bu aşamada, müşterileri veya potansiyel müşterileri dinlenir, talep edilen pazar gereksinimlerini ve özelliklerini analiz edilir. Müşterinin ihtiyaçlarını kapsamlı bir şekilde anlamak ve önerilen yazılım ürününün özelliklerini yazmak, bu aşamada başarının anahtarıdır. Bu aşama aslında tüm geliştirme çabaları için bir temel oluşturmaktadır.

2.2.2. Planlama (Feasibility Study): Gereksinim toplama aşamasından sonra kabaca yazılım sürecinin planlandığı aşamadır. Ayrıca personel ve donanım gereksinimlerinin belirlenir ve fizibilite çalışması bu aşamada gerçekleştirilir.

2.2.3. Analiz (Analysis): Sistem gereksinimlerinin ve işlevlerinin ayrıntılı olarak çıkarıldığı aşamadır. Var olan işler incelenir, temel sorunlar ortaya çıkarılır. Proje ekibi projenin kapsamını analiz eder ve programı ve kaynakları buna göre planlar.

2.2.4. Tasarım (Design): Başlangıçta belirlenen gereksinimlere karşılayacak yazılım ürünün temeli bu aşamada gerçekleştirilir. Bir başka deyişle gereksinim toplama aşamasında elde edilen bilgiler tasarım aşamasının girdileridir. Bu adımın çıktısı iki farklı tasarımdan oluşmaktadır. Bunlar mantıksal tasarım ve fiziksel tasarımdır.

1019

Şek.3. Yazılım geliştirme temel adımları

2.2.5. Kodlama ve Gerçekleştirme (Coding and Implementation): Bu adım ayrıca programlama aşaması olarak bilinir. Yazılım geliştiricileri, tasarım dokümanlarını ve geliştirme araçlarını (editörler, derleyiciler, hata ayıklayıcılar vb.) kullanarak yazılımı kodlamaya başlarlar. Bu aşama genelde yazılım geliştirme yaşam döngüsü adımlarının en uzun aşmasıdır.

2.2.6. Test (Testing): Genellikle test, yazılımın ilk parçaları kullanılabilir olduğu anda başlar. Hataların erken keşfi ve onların çözüm yolu yazılımın kalitesini artıracağı gibi aynı zamanda da maliyet, zaman ve iş gücü kaybının önüne geçecektir. Birçok yazılım şirketi için bu aşama kodlama aşaması kadar önemlidir. Çok fazla sayıda test yöntemi (Birim Testi, Beyaz Kutu Testi, Kara Kutu Testi, Sistem Testi vb.) vardır.

2.2.7. Bakım (Maintenance): Yazılımın teslim edilip kullanılmaya başlamasından sonra bakım aşaması başlar. Öncelikle, kullanıcılar yazılımın nasıl çalıştırılacağı ve yazılımın nasıl çalışır durumda tutulacağı konusunda eğitilir veya desteklenir. Hata giderici, önleyici, altyapıyı iyileştirici, ürüne yeni özellikler ekletici gibi farklı bakım faaliyetleri mevcuttur.

Yazılım geliştirme karmaşık bir süreçtir ve her geçen gün artan yazılım gereksinimlerine paralel daha karmaşık hale gelmektedir. Tüm bu taleplerin ve yazılım geliştirme süreçlerinin karmaşıklığının üstesinden gelebilmek için farklı geliştirme metodolojileri, yöntemler ve araçlar ortaya çıkmaktadır. Fakat bu karmaşık sürecin tamamen yönetilmesi ve raporlanması için etkin bir çözüm bulunmamaktadır. Biz bu makalede bu karmaşık sürecin ve içinde bulunduğu etmenlerin (bütçe, çalışan sayısı, zaman, maliyet hesabı vb.) organize edilmesi için bir prototip oluşturduk. Makalenin 3. Kısmında öne sürmüş olduğumuz prototip anlatılacaktır.

3. MATERYAL VE METOD

Yazılım geliştirme süreci farklı dinamikler ve parametreleri olan ve temel adımları yukarıda anlatılan birçok adımdan oluşur. Bu aşamaların he biri yazılımın kalitesi için ayrı bir öneme sahiptir. Genelde yazılım sürecini oluşturan aşamalar sıralı bir şekilde işletilir. Bir aşamanın başarısı mutlaka kendinden önce gelen adımın ne kadar başarılı işletildiği ile doğrudan alakalıdır. Örneğin yeteri kadar iyi açıklanmamış ve netleştirilmemiş gereksinimler sonraki adımların başarısını olumsuz yönde etkileyecektir.

Bütün bu sürecin başarıya ulaşması ve kalite standartlarına ulaşıp başta belirtilen gereksinimleri karşılayabilmesinde her adımın ayrıntılı bir biçimde dokümantasyonu önemlidir. Fakat bu denli karmaşık süreçlerin dokümantasyonu da yazılım geliştirilmesinde ayrı iş gücü, zaman ve maliyet gerektirmekte ve yazılım geliştiriciler tarafından yeterince önemsenmemektedir. Bu proje kapsamında, dokümantasyonun daha etkin yapılması, ayrıca zaman, iş gücü ve maliyet kazanımlarının gerçekleştirilmesi için yazılım süreçlerinin dokümantasyonuna yardımcı olacak bir yazılım geliştirme süreci ontolojisi önerilmektedir. Oluşturulan bu ontolojinin geliştiricilere aşağıdaki etmenler açısından yardımcı olacağı düşünülmektedir.

Oluşturulan ontolojinin;

• Paydaşlar arasındaki iletişimin sağlıklı olması; • Dokümantasyonun etkin ve hızlı bir şekilde yapılması; • Ontoloji görselleştirme araçları kullanılarak yazılım geliştirme sürecinin görselleştirilmesi;

1020

• Oluşturulan dokümantasyonun gerektiğinde tekrar kullanılabilmesine olanak tanıması; • Yazılım sürecinin daha elverişli yönetilmesi; • Yazılımın büyüklüğünün ilk aşamalarda kestirilip gerekli planlamanın yapılmasının sağlaması; • İş gücü, zaman ve maliyet tasarrufu yapılması; • Yazılım geliştirme süreci ontolojileri için standardizasyon çalışmalarına başlanması için ilham

kaynağı olması gibi pozitif etkileri olacağı düşünülmektedir.

Yazılım geliştirme süreç ontolojisi, Stanford üniversitesinin geliştirmiş olduğu Protege 5.0 [8] ontoloji geliştirme ortamı kullanılarak oluşturulmuştur. Geliştirilen ontolojinin web üzerinden sorgulanabilmesi için Apache Jena Fuseki [9] web sunucusu kullanılmıştır. Fuseki bir SPARQL sunucusudur. HTTP üzerinden SPARQL protokolünü kullanarak sorguların çalışmasına olanak verir. Yazılım geliştirme süreç ontolojisinin tüm paydaşlar tarafından daha iyi anlaşılabilmesi için görselleştirmenin önemli olduğunu düşünmekteyiz. Önerilen ontolojide ontolojiyi görselleştirmek için OntoGraf [10], OWL Viz [11] ve Wovl [12] eklentileri Protage ile beraber kullanılmıştır.

3.1. Ontolojinin Geliştirilmesi

Ontoloji gelişimi dikkate alınması gereken önemli ve yinelenen bir süreçtir. Ontoloji oluşturulurken mutlaka literatürde kabul görmüş bir metodoloji seçilmelidir. Çünkü belirli bir alanda ontoloji tabanlı sistem oluşturmak için öncelikle alanın tam olarak anlaşılması gerekir. Ontoloji geliştirme metodolojileri, ontoloji alanını anlamada yardımcı olur.

Literatürde birçok ontoloji geliştirme metodolojisi vardır. Örneğin, Skeletal Methodology, Uschold ve King [13] tarafından ortaya atılmıştır. Bir başka metodoloji ise Noy ve McGuinness literatüre kazandırmış olduğu 101 metodolojisidir [14]. Yazılım geliştirme süreç ontolojisinin oluşturulmasın da kullanım kolaylığı, anlaşılabilirliği, uygulanabilirliği ve geliştiriciler tarafından genel kabul görmesi nedeniyle 101 metodolojisi seçilmiştir.

101 yöntembilimi 7 ardışık basamaktan meydana gelmektedir. Bu basamaklar aşağıda kısaca anlatılmaktadır.

3.1.1. Ontolojinin Kapsam Ve Etki Alanının Belirlenmesi: Önerilen yazılım geliştirme süreçleri ontolojisinin ilk basamağıdır. Bu adım ayrıca karar ve plan yapım süreci olarak ta bilinir. Fakat belki bazı detaylar daha önce görülmez. Bazı kararlar daha sonra ontoloji sürecini geliştirirken değiştirilebilir. Bu basamakta ontolojinin kapsamının ne olacağı, ontolojiyi kimlerin kullanacağı, hangi sorulara cevap vermesi gerektiği soruları etraflıca tartışılır.

Şek.4. Önerilen ontolojide kullanılacak terimlerin listesi

3.1.2. Alan İle İlgili Mevcut Ontolojilerin Yeniden Kullanılmasının Düşünülmesi: Ontolojilerin en önemli özelliklerinden biri yeniden kullanılabilirliktir. Ontoloji oluşturma sürecine başlamadan önce, bu alanda yaratılan benzer ontolojiler araştırılmalıdır. Mevcut ontolojilerin gelişimi, aynı konuda yeni bir ontoloji geliştirmek yerine akademik alan için daha faydalı olabilir. Ontolojilerin diğer bir özelliği de diğer ontolojilerle birleştirilebilmesidir. Sisteminizin diğer uygulamalarla etkileşime girmesi gerekiyorsa, bazen var olan ontolojileri yeniden kullanmak gerekebilir. Birçok ontoloji hâlihazırda elektronik formda mevcuttur ve bunları değiştirmek veya genişletmek için ontoloji geliştirme ortamına aktarılabilir.

3.1.3. Ontolojide Kullanılacak Terimlerin Ve Terim Tiplerinin Belirlenmesi: Ontolojisi oluşturulacak alan ile ilgili sınıflar, nesne özellikleri ve özellik tipleri hiçbir ayrım yapmadan ve sıraya koymadan listelendiği

1021

aşamadır. Yazılım geliştirme süreç ontolojisi için belirlediğimiz terimlerin bir kısmı yukarıda Şekil 4’te gözükmektedir.

3.1.4. Sınıfların Tanımlanarak Sınıf Düzeninin Oluşturulması: Bir önceki basamakta oluşturulan listedeki terimler kullanılarak sınıflar tanımlanır. Ontolojilerde sınıflar bir hiyerarşi içeresindedir. Sınıflar listeden seçildikten sonra sınıflar arasındaki bu hiyerarşide belirlenir Şek.5. te önerilen ontolojideki sınıf hiyerarşisi gözükmektedir. Sınıf hiyerarşisi ve kavram özelliklerini tanımlamak iç içe geçmiş bir süreçtir ve eşzamanlı olarak yapılır

Şek.5. Yazılım geliştirme süreç ontolojisi sınıf hiyerarşisi.

3.1.5. Sınıfların Niteliklerinin Tanımlanması: Sadece sınıfları ve aralarındaki hiyerarşik yapıyı belirlemek, kullanıcılara verilecek bilgileri açıkça göstermek için yeterli değildir. Öznitelikler, ontolojilerde sınıfların semantik ilişkisini ve özelliklerini tanımlamak için kullanılır. İki çeşit özellik vardır; Nesne nitelikleri (Object Property) ve Veri nitelikleri (Data Property). Nesne nitelikleri sınıflar arasındaki ilişkileri tanımlarken, veri nitelikleri sınıfları tanımlamak için kullanılır.

3.1.6. Nitelik Özelliklerinin Tanımlanması: Niteliklerin değişik özelliği olabilir. Bu özellikler niteliğin tipini, değeri, değer aralığını belirler. Örneğin uygulamada doğum tarihi diye bir özelliğin olduğunu varsayarsak. Bu özelliğin tipinin DateTime olmasını istediğimiz gibi belli tarih aralıklarında olması içinde gerekli atamaları yapabiliriz.

3.1.7. Sınıf Örneklerinin Tanımlanması: Ontolojilerin oluşturulmasının son adımı, daha önce tanımlanmış sınıfların ilgili bireylerini yaratmaktır. Ontolojilerde sınıf-birey ilişkisinin yapısı Java, C# gibi çok kullanılan nesneye dayalı programlamadaki sınıf-birey ilişkisine benzer. Bir sınıfın sayısız bireyi oluşturulabilir.

Ontolojinin sınıf hiyerarşisinin sıra-düzensel yapısının görsel olarak ortaya konulması, kolay ve anlaşılabilir bir biçimde bütün paydaşlara paylaşılabilmesi için kullandığımız görselleştirme aracı OWLViz ile temsili Şek.6.‘de gösterilmiştir.

1022

Şek.6. OWLViz görselleştirme eklentisi ile gösterimi

Yazılım geliştirme süreç ontolojisi için kullandığımız başka bir eklentide OntoGraf, ile temsili Şek.7.’de gösterilmiştir.

Şek.7. OntoGraf görselleştirme eklentisi ile gösterimi

1023

4. TARTIŞMA VE SONUÇ

Yapılan bu çalışmalar neticesinde yazılım geliştirme süreç ontolojisinin yazılım kalitesine birçok yönde katkı sağlayacağı öngörülmektedir. Bu çalışma içerisinde geliştirilen ontoloji sayesinde yazılım geliştirme sürecinde karşılaşılan adımların ilişkileri anlamsal haritalar ile ifade edilmiş ayrıca iteratif olarak süreçler birbirleri ile ilişkilendirilmiştir. Fakat ontolojilerin tekrar kullanılabilirliği ve birbirleri uyumlu çalışabilmesi ortak bir terminoloji kullanılmasını zorunlu kılar. Bu sebeple farklı kuruluşların ve araştırmacıların yapmış veya yapacağı yazılım geliştirme süreç ontolojilerinin ortak bir terminolojisinin olmamasından kaynaklı kullanım sorunları ortaya çıkması ihtimal dâhilindedir. Tüm bu terminolojik kaynaklı sorunların üstesinden gelinmesi ancak yazılım geliştirme süreç ontoloji standardizasyonu oluşturmakla aşılabileceği düşünülmektedir.

Önerilen yazılım geliştirme süreç ontolojisi paydaşlar arasındaki iletişimi daha sağlıklı olmasını sağlayacağı gibi görselleştirme araçlarının zenginliği ile projenin daha kolay anlaşılabilir olmasını sağlayacağı düşünülmektir. Yazılım süreçlerinde en önemli süreçlerden birsi de kaliteli bir dokümantasyondur. Fakat oluşturulan yazılım dokümantasyon iş gücü, maliyet ve zaman noksanlığından her zaman istenen kaliteye ulaşmayabilir. Önerilen ontoloji ile hızlı ve kaliteli bir dokümantasyon oluşturma süreci hedeflenmektedir. Tüm bunların yanında geliştirilen ontoloji yazılım geliştirme süreci ontolojileri için standardizasyon çalışmalarına başlanması için ilham kaynağı olacağı düşünülmektedir.

Gelecek çalışmalarda bu prototip geliştirilerek belli başlı standartlar oluşturulmaya çalışılacaktır. Bununla beraber oluşturulan bu ontoloji ilk olarak yazılım geliştirme süreçlerini kavramlaştırmayı sağlasa da diğer uygulama alanlarında farklı ontolojiler ile anlamsal birlikte çalışabilirliği desteklemek için daha katı bir kavramsallaştırmaya ihtiyaç duyar. Bu nedenle gelecek çalışmalarda oluşturulan yazılım geliştirme süreç ontolojisi akademik camiada kabul görmüş DOLCE, SUMO benzeri temel bir ontoloji ile hizalanması düşünülmektedir.

DOLCE ve SUMO literatürde yoğun kabul görmüş birer üst seviye ontolojileridir. Bu ontolojilerin en önemli özelliği alan bağımsız olmalarıdır ve farklı kaynaklardan gelen verinin bütünleştirilmesini sağlarlar. Bu yüzden bu çalışmada önerilen projenin akademik açıdan değer kazanabilmesi için bir üst seviye ontoloji ile hizalanması hayati önem taşımaktadır.

TEŞEKKUR

Makalenin kalitesini arttırmaya ve oluşturulan yazılım süreç ontolojilerimizi geliştirmeye olan katkılarından dolayı Yalçın Çebi ve Özgür Tamer’e minnettarız.

REFERANSLAR [1] K. Kurtel and Ş. Eren, “Yazılım Mimarisinin Kalite Gereksinimleri : Yazılım Güvenilirliği”.

[2] T. Berners-lee, J. Hendler, and O. Lassila, “The Semantic Web”, Sci. Am., vol. 284, no. 5, pp. 35–43, 2001.

[3] K. Mohebbi, S. Ibrahim, and N. B. Idris, “Contemporary Semantic Web Service Frameworks: An Overview and Comparisons”, Int. J. Web Serv. Comput., vol. 3, no. 3, pp. 65–76, 2012.

[4] R. Punnoose, A. Crainiceanu, and D. Rapp, “Rya: a scalable RDF triple store for the clouds”, Proc. 1st Int. Work. Cloud Intell., p. 4, 2012.

[5] Y. Theoharis, V. Christophides, and G. Karvounarakis, “Benchmarking Database Representations of RDF / S Store”, pp. 685–701, 2005.

[6] T. R. Gruber, “Toward principles for the design of ontologies used for knowledge sharing”, International Journal of Human-Computer Studies, vol. 43, no. 5–6. pp. 907–928, 1995.

[7] P. Vixie, “Software Engineering”, Open Sources Voices from open source Revolut., pp. 47–50, 1998.

[8] “Protege.” [Online]. Available: https://protege.stanford.edu/. [Accessed: 20-Mar-2018].

[9] “Apache Jena Fuseki.” [Online]. Available: https://jena.apache.org/. [Accessed: 27-Mar-2018].

[10] “OntoGraf.” [Online]. Available: https://protegewiki.stanford.edu/. [Accessed: 05-Apr-2018].

[11] “OWLViz.” [Online]. Available: https://graphviz.gitlab.io/. [Accessed: 15-Apr-2018].

[12] “Vowl.” [Online]. Available: http://vowl.visualdataweb.org/. [Accessed: 19-May-2018].

[13] M. Uschold and M. Gruninger, “Ontologies: principles, methods and applications”, Knowl. Eng. Rev., vol. 11, no. 02, p. 93, 1996.

[14] N. Noy and D. McGuinness, “Ontology development 101: A guide to creating your first ontology”, Development, vol. 32, pp. 1–25, 2001.

1024

A New Greenhouse Monitoring System Based on Internet of Things Technology

E. Unsal1,*, A. F. Yelkuvan1, M. Taşbaşı1, Ö. Sönmez1

1Department of Computer Engineering, Sivas Cumhuriyet University, Sivas, Turkey

Abstract Recent improvements in the microcontroller, sensor, wireless communication, and web technologies enable real-world deployment of computer-aided industrial wireless monitoring and autonomous control systems. Depending on these developments in technology, wired and wireless agricultural monitoring and management systems are becoming widespread in agriculture and greenhouse areas. With the implementation of computer-aided monitoring systems in agricultural areas or greenhouse systems, it is possible to supply the light, temperature, humidity, carbon dioxide (CO2) and irrigation requirements, and the productivity of these areas will be increased. In this study, a wireless greenhouse monitoring system based on IoT technology is presented by using Arduino compatible NodeMCU and Wemos WiFi modules. The proposed system collects the light, temperature, humidity, carbon dioxide (CO2), and soil moisture values over the sensors and transfers this data through to remote server over the internet. The data sent from the greenhouse system is accepted by a web service on the server side and is stored in the database. Thus, the data obtained through the greenhouse system can be monitored through a web server. As a result of this project, an IoT based monitoring system was developed by low cost and efficiency that can meet needs in agricultural areas.

Keywords: Greenhouse, Monitoring System, Internet of Things, Smart Agriculture.

1. INTRODUCTION

A greenhouse is an isolated building to provide suitable environmental conditions for growing plants. The temperature, humidity, light and the level of the carbon dioxide and irrigation are the important factors for the productivity of a greenhouse [1]. Wired and wireless monitoring and management systems in agriculture or greenhouse areas are becoming widespread because of the developments of the new sensors and electronic communication systems nowadays. It is possible to follow up the soil and grown of the agricultural products by using computer-aided monitoring systems in agricultural areas or greenhouse systems. By means of these systems, labor force requirement and production time can be optimized by increasing the productivity of soil by providing light, temperature, humidity, carbon dioxide (CO2), vegetable nutrients and irrigation in the required time intervals in order to provide the optimum environmental conditions1.

There are some previous studies to monitor or track the greenhouse system in the literature. In 2004, Omid [2] presented a computer-aided monitoring system to maintain optimum air temperate and relative humidity in greenhouses. In 2008, Ahonen [1] and his friends have developed a Wireless Sensor network for monitoring climate parameters in a greenhouse. In 2015, Dan et.al. presents the design and implementation of an agriculture greenhouse monitoring system based on ZigBee technology. In 2016, Emre et.al. presents a low-cost wireless sensor network application to monitor climatic conditions and relative humidity of the greenhouse systems.

In this study, a wireless greenhouse monitoring system based on IoT technology is presented by using Arduino compatible NodeMCU and Wemos WiFi modules. The proposed greenhouse monitoring system

1 Corresponding author. Tel.: +0 346 219 1010 / 2426 E-mail address: eunsal@cumhuriyet.edu.tr (E.Unsal).

1025

based on wireless networks with IoT support with low costs that is suitable for small or medium businesses. The system consists of three important parts: wireless modules, web service and the web server with a database. The detailed description of each part will be explained in the materials methods section. The proposed system differs from the existing systems in terms of low cost, easy to install, portable, and scalability.

The rest of the paper organization consist of four sections. Materials and methods section presents the hardware and software implementation of the proposed greenhouse monitoring system. In the Experiments and results section includes the experimental results of the system in laboratory conditions. Finally, the conclusions and future work of the study are discussed briefly in the last section.

2. MATERIALS AND METHODS

The proposed wireless greenhouse monitoring system consists of three major parts as shown in Fig.1. The first part is the system hardware. The hardware includes WiFi modules based on ESP8266 architecture, various types of sensors, power suppliers, irrigation motors, and an Access point. The second part is the web service part. The web service is responsible from the collect incoming raw data through the internet and parse the raw data. Moreover, the web service is also responsible to insert the sensor data into the database continuously. The third part of the system is the web server, which contains a MySQL database to store sensor and module information, and a web application to monitor greenhouse system over a web browser. These three parts of the system are explained deeply in this section.

WiFi Modules

WiFi Modules

WiFi Modules

Sensors

Sensors

Sensors

Sensor Node

Sensor Node

Sensor Node

Access Point Server

Internet

Web Service

Web Interface

Database

Fig. 1. IoT based wireless greenhouse monitoring system diagram

2.1. System Hardware

Wireless communication modules are at the base of the monitoring system. These modules controlled with an ESP8266 microcontroller that can be programmable by the Arduino [5] platform. ESP8266 NodeMCU [6] modules and Wemos [7] modules are used for the wireless communication of the system. In addition, these modules are used to control sensors, irrigation motors, and photosynthesis plant growth lights. Technical details of these modules are given in Table I and Table II respectively.

Table I. ESP8266 NodeMCU WiFi Module [6].

Microcontroller ESP8266EX

Typical Frequency 80 MHz

GPIO 15

Software PWM 8 Channels

ADC 10 bit one port

Flash Memory 16 MB

SRAM 160 KB

Working Temperature -40 C/125 C

1026

Table II. Wemos D1 mini WiFi board [7].

Microcontroller ESP8266EX

Clock Frequency 80 /160 MHz

Digital I/O 11

Software PWM 8 Channels

ADC 10 bit one port

Flash Memory 4 MB

SRAM 160 KB

Working Temperature -40 C/125 C

These modules control different types of sensors for various monitoring applications in the greenhouse. There is five type of sensors used in the greenhouse monitoring system. DHT22 module (Fig. 2a) is used for sensing temperate, and humidity values both inside and outside of the greenhouse. An analog soil moisture sensor (Fig. 2b) is used to sense relative humidity values of the soil. BH1750 Light sensor (Fig. 2c) is used for measuring light intensity. Raindrop sensor (Fig. 2d) is used outside of the greenhouse for sensing the rain. MQ-2 Gas sensor (Fig. 2e) is used for measuring CO2 levels of the greenhouse. The MQ-2 sensor can also detect combustible gas and smoke, so it can be used to detect a fire situation inside the greenhouse. Moreover, the developed system also includes a water motor (Fig. 3a) for irrigation and a photosynthesis plant growth light (Fig. 3b) is used to grow plants in the dark. The whole system can be powered up with a solar panel and power suppliers.

a) DHT22 Sensor b) Soil Moisture Sensor c) BH1750 Light Sensor

d) Raindrop Sensor e) MQ-2 Gas Sensor

Fig. 2. The sensor types used in the greenhouse monitoring system

The plant growth light is a specially produced photosynthesis led that can support from 400 nm to 500 nm blue light and 600 nm to 700 nm red light spectrums which a plant needs to grow.

1027

a) Irrigation Motor b) Photosynthesis plant growth light

Fig. 3. The actuators used in the greenhouse monitoring system

2.2. Hardware Architecture of Proposed System The combination of the WiFi module and sensors are called sensor nodes. There are four types of sensor nodes used in this system. Three types of the developed nodes are used for indoor sensing and called indoor sensor nodes and one for sensing the outside of the greenhouse called outdoor node for the proposed greenhouse monitoring system.

2.2.1. Indoor Nodes

The nodes are designed to sense the physical phoneme of the inside of the greenhouse such as temperature, humidity, level of photosynthesis light, and soil moisture. There are three types of indoor nodes (Fig. 4). The difference between these nodes is due to the type of sensors they used. The properties of each node are given below:

• Soil moisture and irrigation control node: This is the first type of indoor nodes. This node is responsible for measuring relative soil moisture and irrigate the predefined planting ground (Fig. 4a). The irrigation motor is controlled with a relay. The relay is switched on if the soil moisture is below the threshold value.

• Temperature, humidity and CO2 gas control node: This node is responsible for measuring the indoor temperature, humidity and CO2 levels of the greenhouse system(Fig. 4b). In Addition, the MQ-2 sensor can also detect combustible gas and smoke levels; thus, this system also works as a fire and smoke detection node.

• Light intensity and plant growth light control node: This is the last type of indoor nodes and responsible for measuring the intensity of light levels (Fig 4c). If the intensity of light is not adequate to make photosynthesis for plants, then the sensor node switches on the photosynthesis plant growth led to supply needed light to the plants.

a) Soil moisture and irrigation

control node b) Temperature, humidity and CO2

gas control node c) Light intensity and plant growth

light control node

Fig. 4. The indoor sensor nodes developed for the greenhouse monitoring system

1028

2.2.2. Outdoor Node

The outdoor node measures the temperature, humidity levels, and rain conditions outside of the greenhouse (Fig. 5). The outside temperature is important for the greenhouse because the farmers can prevent unwanted too low temperatures under frost conditions. The raindrop sensor measures the level of rain outside the greenhouse.

Fig. 5. The outdoor node used in the greenhouse monitoring system.

2.3. Wireless Network Topology

The system works on one hop and star topology wireless network architecture based on IEEE 802.11b/g/n. The communication range of each node with an onboard chip antenna is about 100 meters in the open area. However, if an external antenna is used the range will be wider than usual. Sensor nodes communicate with an access point and the sensor network data transferred to the remote server over an internet connection. Even if there is no internet access a GSM/GPRS shield is used as an access point to transfer sensor data. The placement of the sensor nodes and the access point is given in Fig. 6.

Fig. 6. The placement of the sensor nodes in the greenhouse monitoring system.

2.4. Software Components

PHP programming language and MySQL database system are selected during the development of the monitoring system software. The software of the greenhouse monitoring system that we have developed consists of three main parts. These parts are web service, database, and web interfaces respectively. Each part is responsible for a significant task in the system. The definitions of each part are:

1029

• Web Service: A web service is a service software working on the HTTP protocol and used to control data traffic. The web service is responsible for collecting and parsing the incoming node data from the system. After parsing the node’s data, This information is inserted into the MySQL database.

• Greenhouse Database: The greenhouse database system works on the MySQL database engine. The database has seven tables and stores the nodes, sensors, users, and incoming sensor values information. The type of all nodes and sensors are predefined into the database before the system startup. Thus, the monitoring system knows the MAC address and situation of the nodes, type of nodes and sensors, and location information at the beginning and the web service can correctly parse the incoming sensor values easily by using this information.

• Web Interface: The web interface is developed to visualize previous sensor readings that are stored in the greenhouse database. The web interface shows the previous sensor readings on a JavaScript-based graphics editor.

3. RESULTS AND DISCUSSIONS

The experimental studies with the developed wireless greenhouse monitoring system were done in the laboratory conditions and the system was tested with real-world application. Before to represent the obtained data from the proposed system. The database structure of the system is explained first. The database Entity-Relationship (ER) diagram of the proposed system is given in Fig. 7. The whole sensor readings are stored in the MySQL database. Seven tables are created to store sensor, node, sensor readings, node locations, and users’ information.

Fig. 7. The database ER diagram of the developed system

Types of nodes are used to determine four different node types that are developed for the proposed system. However, using a unique identifier called “id” for each node is not adequate to determine which sensor read the data. Thus, in order to determine the sensors of each node, each sensor also has a unique identifier called “sensor_id”. So that, the web service is able to parse incoming messages correctly. Moreover, the types of sensor’s table is used to determine sensor types.

The data packet fort of the sensor nodes is given in Fig. 8. Each node in the sensor network concatenates their sensor’s sensor_id, sensor_type, and sensor readings together and sends a string message to the web server. The web service is responsible for parsing raw sensor readings, and insert the meaningful data into the database. The packet format of the proposed system is given in Fig 8. Each sensor in the node write its “sensor_id”, “sensor_type”, and “sensor_value” into the message; thus, the web service can easily understand the sender's identity. After that, the web service parses the comma-separated message and inserts the divided sensor values into the “cihaz_verileri” table continuously.

Fig. 8. The data packet format of the sensor nodes

1030

The meaningful sensor data is stored in the database after the web service parses raw messages. The web interface is responsible for the graphical representation of the greenhouse monitoring system. An example of the graphical representation of the sensor readings is displayed in the web interface as shown in Fig. 9.

Fig. 9. The graphical representation of the sensor readings in the web interface

4. CONCLUSIONS

IoT based applications have become very popular with the emerging technology in the last decade. One of the suitable application areas of IoT technology is the Wired and wireless monitoring and management systems in agriculture or greenhouse areas. The proposed wireless greenhouse monitoring system in this study is implemented using ESP8266 NodeMCU and Wemos development boards with wireless communication capability. In order to measure soil moisture, temperature, light, relative humidity, rain, and CO2 values, four types of sensor nodes are developed for this aim. The sensor readings from the nodes taken transfers to the access point via a wireless network connection. The web service collects and parses the incoming sensor data and inserts into the greenhouse database. The database stores the meaningful data and this information can be displayed on a web interface. The laboratory experiments reveal that the precision of the selected sensors is adequate for the agricultural applications.

In the future, energy harvesting techniques by using solar panels will be added to the greenhouse system to power supply sensor nodes in the absence of electricity.

REFERENCES [1] Ahonen, T., Virrankoski, R., Elmusrati, M., and Box, P. O., Greenhouse Monitoring with Wireless Sensor Network,

IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications, p. 403–408, 2008.

[2] Omid, M., A Computer-based monitoring system to maintain optimum air temperature and relative humidity in greenhouses, International Journal of Agriculture & Biology, 6(6), p.1084-1088, 2004.

[3] Dan, L. I. U., Xin, C., Chongwei, H., and Liangliang, J., Intelligent agriculture greenhouse environment monitoring system based on IoT technology, International Conference on Intelligent Transportation, Big Data and Smart City (ICITBS) p. 487-490, 2015.

[4] Ünsal, E., Milli, M., Aktaş, Ö., and Çebi, Y., Low-cost Wireless Sensor Networks for Greenhouse Monitoring Applications. Presented at the 4th International Conference on Advanced Technology & Sciences (ICAT’Rome), 2016.

[5] Arduino Software (IDE), [Online]. Available: https://www.arduino.cc/en/Main/Software, 2018.

[6] ESP8266 NodeMCU Datasheet, Introduction to NodeMCU ESP8266 DevKitv1.0, [Online]. Available: https://einstronic.com/wp-content/uploads/2017/06/NodeMCU-ESP8266-ESP-12E-Catalogue.pdf, 2017.

[7] Wemos D1 Mini Datasheet, A mini WiFi board. [Online]. Available: https://wiki.wemos.cc/products:d1:d1_mini, 2017.

1031

The Effects on Engine Emission Parameters of the Uses of Canola Oil Methyl Ester as Biodiesel Fuel in a Single-Cylinder Diesel

Engine

T. Yüksel*, İ.Temizer

Department of Automotive Engineering, Cumhuriyet University Faculty of Technology, Sivas, Turkey

Abstract In this study, it was investigated the effect on exhaust emissions of biodiesel fuel used in diesel engine working under load. Biodiesel fuel, which is mixed 10% by volume of diesel fuel, was used in three different engine speed. The exhaust gas temperature values, CO, CO2, HC, O2 and NOx values of different fuel mixtures used in single cylinder diesel engine were examined and compared with the literature. This study also that reflects the different emission characteristics of alternative fuels in different engine regimes.

Keywords: Canola oil, rape oil, biodiesel, alternative energy source.

1. GİRİŞ

Enerji, tedarik edilmesi aşamasında karşılaşılan sıkıntılardan dolayı son yılların oldukça önem arz eden sorunları arasındadır. Motorlu araçlarda kullandığımız enerjinin büyük çoğunluğunun fosil kökenli kaynaklardan elde edilmesi sorunun ana kaynağını teşkil etmektedir. Yapılmış olan araştırmalar neticesinde fosil kökenli enerji kaynaklarının bir süre sonra tükenecek olması ve kullanılmaları neticesinde çevreye verdikleri zararlardan dolayı alternatif enerji kaynak arayışları hızlandırılmıştır. Bitkisel kaynakları kullanarak enerji elde etme işlemi de bu arayışlar arasındadır. Bu amaçla Kolza bitkisinden elde edilen yağ, motorlu araçlarda alternatif bir enerji kaynağı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Kolza yağı, dizel motor yakıtı içerisine çeşitli oranlarda katılarak veya karıştırmadan kullanılarak ve biyodizel olarak isimlendirilen yakıtlar arasında kendisine yer bulmaya başlamıştır. Bu husustaki çalışmalar artarak devam etmektedir.

Kanola, ülkemize Balkanlar’dan gelen göçmenler tarafından kolza adı ile 1960 yıllarında getirilmiş ve Trakya'da ekim alanı bulmuştur. Ancak kolza ürününün yağında, insan sağlığına zararlı erusik asit (doymamış yağ asidi), küspesinde de hayvan sağlığına zararlı glukosinolat (toksik etkili kükürtlü bileşik) bulunması nedeniyle 1979 yılında ekimi yasaklanmıştır. Ülkemizde kolza üretimi, önceleri Trakya ve Marmara bölgesinde Edirne, Kırklareli, Tekirdağ, Çanakkale ve Bursa’da az da olsa yapılmıştır. Ancak erusik asit içermesi nedeniyle 1980 yılından itibaren ekim alanı ve üretimi giderek azalmıştır. 1980’li yıllarda, Kanada ve İsveç başta olmak üzere birçok Avrupa ülkesinde çok sayıda kolza çeşidinin ıslah edilmesi ile erusik asit içermeyen ve Kanada'da ıslah edilmesi nedeniyle Kanola adı verilen yeni bir çeşidin çıkması sonucu, ülkemizde de kanola üretimi az da olsa canlanmıştır (1,2,3). Kanola, Kanada tarafından geliştirilip dünyaya tanıtıldığından dolayı "Canadian oil, low acid" kelimelerinin başlangıç harflerinin birleştirilmesinden oluşturulan canola (kanola) ismi ile yayılmıştır. Ülkemizde bitkisel yağ açığını kapatmak amacıyla, kanola tarımının yaygınlaştırılması için çalışmalar yapılmaktadır. Erusik asit engellendiğinde doğal olarak oleik asit sentezinde bir birikim ortaya çıkmış böylece erusik asit tip yağ yerine oleik asit tip kolza yağı (kanola) elde edilmiştir. (2,3).

* Corresponding author. Tel.: +90 346-219-1010/2317: fax: +90 346-219-1241. E-mail address: tyuksel@cumhuriyet.edu.tr (T. Yüksel).

1032

Kanola (Brasicca napus Oleifera sp.), bitkisel yağ kaynağı olarak yağlı tohumlu bitkiler olan ayçiçeği, soya, pamuk ve yer fıstığı arasında üretim açısından üçüncü sırayı almaktadır (4). Dünya'da yıllık üretimi 22 milyon ton civarındadır. Ülkemizde bitkisel yağ açığını kapatmak amacıyla kanola tarımının yaygınlaşması için çalışmalar yapılmaktadır. Dünyadaki ekim alanı 36,4 milyon hektar ve üretimi ise 71 milyon ton civarındadır. Ülkemizdeki üretim alanı 32,7 bin hektar ve üretim miktarı 110 bin tondur (5).

Kanola, tohumunda ortalama %38-50 yağ, %16-24 protein, %20 polisakkaritler polisakkaritler içeren ve oldukça yüksek kalitede yağ asitleri kompozisyonuna sahip olan bir bitkidir (6). Eskiden kolza olarak isimlendirilen çeşitlerin %45- 50 oranındaki erusik asit içeriğinin ıslah çalışmaları ile %0 düzeyine düşürülmesi sonucu bitkinin bitkisel yağ ihtiyacı için yeniden üretime alınmasını sağlamıştır (5,7). Kanola bitkisinden elde edilen yağ kalite yönünden zeytinyağı ve yerfıstığı yağı kalitesine yakındır (8). Bu bitkinin tohumlarından yağ elde edildikten sonra geriye kalan küspesi hayvan yemi olarak kullanılmaktadır. Ayrıca bitki bol sarı çiçek ihtiva ettiğinden arıcılık faaliyetini de olumlu yönde etkilemektedir (9). Kanola bitkisinden yemeklik yağ elde edilmesinin dışında; sabun sanayinde, boya ve vernik yapımında, derileri yumuşatmada, süetlere elastikiyet vermede, tıpta, sentetik madde yapımında, emülgatör elde edilmesinde, hidrolik yağı ve biyodizel üretiminde kullanılmaktadır (10). Ayrıca artan küresel ısınmaya neden olan karbondioksit (CO2) gibi sera gazlarının, bitkiler tarafından yakalanıp toprağa bağlanması bakımından örtü bitkisi olarak kanola bitkisi, birim alanda geniş bir biyokütle oluşturması bakımından da alternatif bir bitkidir (11). Kanola yağı, pazar piyasasına sunulan biyodizel enerji kaynağı olarak önemli bir sektör oluşturma aşamasında çok hızlı bir potansiyel kazanmaktadır (12). Böyle olmasının sebepleri arasında; çevreye zararının olmaması, dizel motor yakıtı olarak doğrudan kullanılabilmesi, dizel motor yakıtına yakın bir yakıt verimine sahip olması, tarımsal olarak işgücü ve ekonomik sektör oluşturması ve önemli bir enerji kaynağı olmasıdır.

Kanola yağı, biyodizel ismi ile ilk olarak 1992 yılında Amerika Ulusal Soy-Diesel Geliştirme Kuruluşu tarafından ifade edilmiştir. Biyolojik kaynaklardan elde edilen ester tabanlı bir tür oksijenli yakıttır ve dizel motorlarda kullanılabilir (13). 1 kg tohumdan 450 gr yağ çıkmaktadır ve metanol ile reaksiyondan sonra 450 gr biyodizel yakıt elde edilebilmektedir. Yapılmış olan çalışmalarla motorin yerine kullanılabildiği, aynı zamanda motorinle çeşitli oranlarda da karıştırılarak kullanılması mümkündür. Karıştırma oranı ekonomi, gaz emisyonu, yanma özelliği gibi birçok faktöre bağlıdır ve genelde %20’lik oranda karışım kullanılır. Bakterilerle ayrışabilen, zehirsiz, sülfürsüz ve hoş kokuludur. Bitkisel yağların metil veya etil esteridir. Kolza olarak isimlendirdiğimiz erusik asit oranı yüksek olan çeşitlerden elde edilen yağlar sanayide, elektrik trafolarında, biyoyakıt (biyodizel) olarak Fransa ve Almanya gibi Avrupa ülkelerinde kullanılmaktadır (4).

Li ve arkadaşları kanola yağı kullanarak yaptıkları çalışmada; çok düşük motor devirlerinde ve çok düşük motor yükündeki çalışma koşullarında kanola yağının dizel yakıt ile çalışmadan daha düşük bir yanma sürecine sahip olduğunu ve kurum emisyonunu azaltmak için iyi bir potansiyele sahip olduğunu, dizel yakıt ile karşılaştırıldığında, hem düşük hem de orta motor yükünde düşük bir HC emisyonu sağladığını ve orta motor yükünde, CO emisyon seviyesinin düşük olduğunu, NOx kanola yağı emisyonu kayda değer bir eğilim göstermediğini, ayrıca ana yanmanın süresini kısaltabilecek yoğun bir yanmaya yol açabildiğini ifade etmişlerdir (14).

Roy ve arkadaşları, dizel yakıtına saf ve kullanılmış kanola yağını hacimce %2 ile %20 arasında çeşitli oranlarda karıştırarak elde ettikleri biyodizel yakıtlarını kullanarak testler yapmışlardır. Saf ve kullanılmış kanola biyodizel karışımı yakıtları çok benzer yakıt özellikleri, motor performansı ve emisyon değerleri göstermiştir. Dizel yakıta göre karışım yakıtlarda CO ve HC emisyonlarında daha düşük değerler elde etmişlerdir. Tüm yakıtlar için CO ve HC emisyonlarının yüksek motor devirlerinde daha düşük olduğunu ve biyodizel-dizel karışımlarındaki biyodizel yüzdesi ne kadar yüksekse, CO ve HC emisyonlarının o kadar düşük olduğunu belirlemişlerdir. Karışım yakıtlarda % 5'e kadar biyodizel ve kanola yağı, NO, NO2 ve NOx emisyonlarında artış olmadığı, gerçekte karışımlarda% 5'e varan kanola yağı NO, NO2 ve NOx emisyonlarının biraz azaldığını belirlemişlerdir. Ancak %20 oranındaki karışım yakıtlarda NO, NO2 ve NOx emisyonlarının artış gösterdiğini tespit etmişlerdir (15).

Can ve arkadaşları, kanola biyodizelinin dizel yakıtla hacimsel olarak %5, %10, %15 ve %20 oranlarında karışımlarını incelenmişlerdir. Yanma analizlerinde, enjeksiyon zamanlamasının başlangıcının sistem tepkisinden dolayı yanlışlıkla değişmesine rağmen kanola biyodizel karışımlarının yakılmasının, genellikle daha önceki yanma zamanlaması nedeniyle tüm yükler için daha kısa tutuşma gecikme süresi ile sonuçlandığını belirlemişlerdir. Maksimum ısı salma oranı ise genellikle kanola biyodizel oranı arttığından yavaş yavaş azaldığını ölçmüşlerdir. Maksimum silindir basıncı ve azami silindir içi basınç yükselme oranlarının hafifçe azaltılması, ısı tahliye konumlarının merkezinde ve daha uzun yanma sürelerinde küçük bir gecikmeye neden olduğunu görmüşlerdir. Kanola biyodizel oranı yüksek yükte %20'ye çıkarıldığında daha yüksek NOx emisyonları, daha düşük duman, daha düşük CO ve tüm yükler için biraz daha yüksek CO2 emisyonları şeklinde tespit etmişlerdir (16).

Ge ve arkadaşları, fosil yakıtlardan kaynaklı kirleticilerin azaltılması amaçlı yaptıkları çalışmada dizel yakıtı ile kanola biyodizel ve hacimce %20 oranında kanola karıştırılmış biyodizel yakıtını bir demiryolu dizel motorunda 1500 sabit devirde farklı yüklerde test ederek egzoz emisyonlarını araştırmışlardır. Tüm deney

1033

koşullarında %20 kanola karıştırılan biyodizel yakıtının CO, HC, PM egzoz emisyonlarının dizel yakıt emisyonlarından daha düşük olduğunu belirlemişlerdir (17).

Bayındır ve arkadaşları, dizel motorlarda bitkisel yağların doğrudan kullanılabilirliğini araştırmak amacıyla kanola yağına %10, %25 ve %50 oranında kerosen karıştırarak ürettikleri biyodizel yakıtını dizel yakıtla kıyaslayarak test etmişlerdir. 1500 d/dak sabit motor devrinde karışım yakıtlarla standart dizel yakıtını karşılaştırarak yaptıkları çalışmada, karışımlarının yanma özelliklerinin dizel yakıtınkine benzer olduğunu bulmuşlardır. Kütle yakıt tüketimi ve fren özgül yakıt tüketiminin karışım yakıtları için biraz arttığı, karbon monoksitler (CO) ve yanmamış hidrokarbon (HC) emisyonlarının biraz artarken, azot oksit (NOx) emisyonları ve egzoz dumanı karışımlar için önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. Kerosen harmanlanmış bitkisel yağların, saf bitkisel yağlara kıyasla daha iyi yanma ve performans özelliklerine sahip yakıt olarak kullanılabileceği sonucuna varılabildiği ifade edilmiştir (18).

Efe ve arkadaşları yaptıkları çalışmada kanola yağının yanısıra dört farklı bitkisel yağdan (mısır, ayçiçeği, soya fasülyesi ve fındık) üretilen beş farklı biyodizelin aynı deney sisteminde dizel yakıtla karşılaştırmasını yapmışlardır. Her biyodizel numunesi için dizel yakıtta farklı oranlarda (%20, %50 ve %100) biyodizel içeren numuneler hazırlamışlardır. Karışımın %20’si fındık olan biyodizelin en iyi performansa sahip olduğunu tespit etmişlerdir (19).

Yerrennagoudaru ve arkadaşı K, dizel yakıtının yerini alabilecek yakıtları test etmek amaçlı yaptıkları çalışmada kanola yağı, soya fasulyesi yağı ve palmiye yağı ile harmanlanmış Etanol'ü deneysel olarak değerlendirmişlerdir. Bu çalışmada dizel motor, kanola yağı, soya fasulyesi yağı, palmiye yağı ile harmanlanmış Diesel ve Etanol kullanılarak test edilmiştir. Bu çalışmadan HC ve CO, NOx ve Aldehitler gibi emisyonlar azaltılmış ve bitkisel yağlarla harmanlanmış Etanolün dizel yakıtın yerine geçebileceğini ifade etmişlerdir (20).

2. MATERYALLER VE METODLAR

Çalışmada kullanılan kanola yağı metil esteri dünyada en çok tercih edilen biyodizel yakıtlardan biridir. Bu kapsamda çalışmada kullanılan kanola yağı metil esteri Cumhuriyet Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Otomotiv Mühendisliği Bölümünde sentezlenmiştir. Kanola yağı ilk olarak transesterifikasyon yöntemi kullanılarak yağ asidi ve gliserin olarak ayrıştırılmıştır. Ayrıştırılan yağ daha sonra yıkama işleminden geçirilerek motor yakıtına dönüştürülmüştür. Katalizör olarak KOH kullanılmıştır. Biyodizel üretim standartlarına göre elde edilen kanola yağı metil esteri hacimce %10 oranında motorin (dizel) yakıtına ilave edilmiştir.

Üzerinde hiçbir değişiklik yapılmayan tek silindirli Antor 3LD 510 motor hidrolik bir dinamometreye bağlanarak sabit yük altında üç farklı devirde (1100, 1500, 1800 d/dak) çalıştırılmış ve motorun emisyon karakterleri incelenmiştir. Egzoz emisyon ölçüm işlemi, Bosch marka BEA350 cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Aynı motor devri için deneylerin gerçekleştirilmesi işlemi birden fazla tekrarlanarak sonuçların güvenilirliği test edilmiştir. Egzoz gazı çıkış sıcaklığı ise, egzoz çıkışına yerleştirilen termokupl yardımı ile tespit edilmiştir. Çalışmada tercih edilen biyoyakıt ve oranı, yapılan literatür incelemesinde elde edilen bulgular dahilinde tespit edilmiştir. Gerek emisyonlar gerekse motor güç düşüşlerinde en ideal oran olarak %10 oranında biyodizel karışımlarının daha uygun karışım değerleri olduğu ön plana çıkmaktadır.

3. DENEYSEL BULGULAR

3.1. CO Emisyonları

CO emisyonu, eksik yanma sonucu oluşan bir emisyon türüdür. Oksijen yetersizliğinden kaynaklanan bir durum sonucu ortaya çıkmaktadır. Genel olarak devir sayısındaki artış ile paralel olarak CO emisyonları düşüş göstermektedir. Silindir içi akış hareketliliği ve sıcaklık artışları, yanmayı iyileştirerek CO emisyonlarını her iki deney yakıtı için düşürmüştür. Ancak dizel yakıtı ile karışım yakıtı arasında devir sayısına bağlı olarak farklı CO dengeleri oluşmuştur. Bu durum Şekil.1’de görüldüğü gibi düşük motor devirlerinde daha belirgin olarak ortaya çıkmaktadır. Bunun yanı sıra yapılan literatür taramalarında genelde CO emisyon değerleri dizel yakıta göre daha düşük çıktığı görülmüştür. Yapılan çalışmada motor devrinin yükselmesi durumunda literatürü destekler sonuçlar alınmıştır. Ancak düşük motor devirlerinde, literatürün aksine %10 kanola karışımı ile oluşturulan biyodizel yakıt, dizel yakıta göre daha yüksek CO emisyonu değerleri ile ölçülmüştür. Bu durum düşük devirlerde yanmanın eksik olduğunu ve bunun da yakıta ilave edilen biyodizel yakıtı, karışımın viskozitesini arttırdığından kaynaklandığı düşünülmektedir. Bilindiği gibi, silindir içerisinde gerçekleşen atomizasyon problemleri yanmayı doğrudan etkilemektedir. Düşük devirlerde bu özelliğin CO emisyonlarında daha baskın bir özellik olduğu düşünülür. Bu çalışma aynı zamanda, karışım yakıtının farklı devirlerde farklı sonuçlar verebileceğini de göstermektedir. Örneğin 1800 d/dak için yakıtın atomizasyon sorununu aşıp daha iyi bir yanma eğiliminde olduğu görülmektedir. Dizel yakıtına kanola yağı metil esteri karışımı, yüksek devirler için daha olumlu etkiye sahip olduğu görülmektedir.

1034

Şekil 1. CO emisyon oranları

3.2. CO2 Emisyonları

Tam yanma ürünleri içerisinde bulunan CO2 emisyonu, yakıtın C/H oranı, O2 konsantrasyonu gibi yakıt özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. CO2 emisyonu, motorlardaki yanma kalitesi hakkında bilgi veren önemli bir emisyon türüdür. Düşük motor devirlerinde CO2 emisyon oranı düşük, yüksek motor devirlerinde ise yüksek çıktığı görülmüştür. Silindire alınan karışım yakıtla birlikte kanola yağı metil esteri miktarı literatür taramasında da tespit edildiği gibi bir miktar yüksek çıkarak olumlu etkiye sahip olmuştur. Şekil 2’de görüldüğü gibi motor devrinin yükselmesi dizel yakıttan daha yüksek değerde CO2 emisyonunun oluşmasına imkân vermiştir. Artan motor devirleri ile birlikte silindire alınan karışım yakıt miktarındaki artış neticesinde CO2 artışı da devam etmiştir. Ayrıca CO2 emisyonu tam yanmanın bir göstergesi olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenle emisyondaki artış, silindire alınan karışımların tam yanma olayına yakın olduğunu göstermektedir. Şekil 2 incelendiğinde CO emisyonlarıyla orantılı bir durum olduğu görülmektedir. Örneğin maksimum momentin elde edildiği 1800 d/dak altındaki devirlerde biyodizel karışımlı yakıtın CO2 emisyonları dizel yakıtına kıyasla daha azdır. Bu durum yukarıda belirtildiği gibi yakıt viskozite ve yoğunluğuna bağlı olarak gerçekleşen atomizasyon probleminin bir sonucu olduğu dikkat çekmiştir.

Şekil 2. CO2 emisyon oranları

3.3. O2 Emisyonları

Yanmanın hangi şartlarda gerçekleştiği hakkında bilgi veren egzoz emisyonları içerisindeki O2 varlığı önemli bir parametredir. Şekil 3’de görüldüğü gibi motor devrinin yükselmesi ile silindire alınan yakıtların yanması için ayrılan sürenin azalması yeterli miktarda oksijenin reaksiyona girememesine sebep olmuştur. Dolayısı ile motor devrinin yükselmesi ile O2 emisyon değerleri giderek düşmüştür. Aynı zamanda O2 emisyonu, tüm motor devirlerinde her iki yakıt türü için yakın değerlerde çıkmıştır. Karışım yakıt için bir miktar daha yüksek çıkması kanola yağı metil esterinin kimyasal yapısında bulunan oksijen içeriğidir ve bu durumun olumlu etkisi olarak kendini göstermektedir.

1035

Şekil 3. O2 emisyon oranları

3.4. NOx Emisyonları

Dizel yakıtına oranla karışım yakıttaki NOx emisyon oranı düşük devirlerde düşük, yüksek devirlerde ise daha yüksek çıkmıştır. Karışım yakıt için NOx emisyonu değerleri literatürle birbirini destekler sonuçlarda olduğu görülmüştür. Şekil 4’de görüldüğü gibi motor devrinin artması ile birlikte emisyon oranı da sürekli artmış ve devir artışı dizel yakıtına oranla karışım yakıtta ki NOx emisyon oranı daha da yükseltmiştir. NOx emisyonları 1800 K ve üzeri yanma odası sıcaklıklarında daha fazla görülebilen bir emisyon türüdür ve birden fazla nedene bağlanmaktadır. Bunlardan ilki sıcaklık, diğeri ise ortamdaki oksijen konsantrasyonudur. Motorun devir sayısındaki artışla birlikte çevrime alınan yakıt miktarı ve sıcaklıklar artar. Bu artış genel olarak bütün çalışma şartlarında NOx oluşumunu arttırmıştır. Farklı yakıt karışımları için özellikle maksimum momentin elde edildiği devirde yakıtların sahip oldukları oksijen içeriği yanma reaksiyonlarını hızlandırmış ve beraberinde sıcaklıklarında artmasına neden olmuştur.

Şekil 4. NOx emisyon oranları

3.5. HC Emisyonları

HC emisyonu, tam yanmayan ürünlerin dışarı atılması ile eksik yanmadan kaynaklanmaktadır. İyi hazırlanmış bir karışımın yüksek yanma verimleri ve yanmayı olumsuz etkileyecek yapısal ve işletme faktörlerinin iyileştirilmesi ile bu durumu azaltmak mümkün olabilmektedir. Yapılan çalışmada düşük devirlerde HC emisyon değerleri dizel yakıta kıyasla karışım yakıtında daha yüksek, motor devrinin yükselmesi ile daha düşük çıkmıştır. Literatür taramalarında genelde tüm motor devirlerinde HC emisyon değerlerinin karışım yakıtlarda daha düşük çıktığı görülmüştür. Ancak Şekil 5’de görüldüğü gibi motor devrinin yükselmesi ile bu durum mümkün görülmüştür. Çünkü motorun düşük devirlerinde silindir içi karışım oluşumunun kötüleşmesi HC emisyonunu artırmıştır. Dizel yakıtına kanola yağı metil esteri karıştırılması, yüksek devirler için olumlu etkiye sahip olmuştur. Özellikle uzun C-H bağlarının daha kolay

1036

parçalanması ve beraberinde yakıtın ihtiva ettiği oksijen konsantrasyonu yanmayı iyileştirerek HC emisyonlarını yüksek devirlerde düşük kılmıştır.

Şekil 5. HC emisyon oranları

3.6. Egzoz Gaz Sıcaklıkları

Egzoz gazı çıkış sıcaklıkları, Şekil 6’da görüldüğü gibi dizel yakıta göre karışım yakıt için düşük motor devirlerinde düşük, motor devrindeki yükselme ile arttığı görülmektedir. Genel olarak motor devrindeki artış ile beraber çevrim başına düşen yakıt miktarı da artar. Bu olay yanma sonu sıcaklıklarını da arttırmaktadır. Şekil 6 incelendiğinde, egzoz gazı sıcaklıklarındaki değişim NOx emisyonları ile paralellik göstermektedir. İki farklı yanma olayının incelendiği bu deneysel çalışmada, maksimum moment devri ve diğer iki farklı devir aralığındaki sonuçlar yanma olayının karmaşık bir fiziksel-kimyasal süreç olduğunun en iyi göstergesi olmuştur. Özellikle 1800 d/dak için, biyodizel karışımlı yakıtın yanmayı iyileştiren bir unsur olduğu bütün sonuçlarda gözlemlenmiştir. İki farklı yakıtın gerek yoğunluğundaki farklılıklar gerekse yakıtların kimyasal içeriğindeki değişiklikler bu devirdeki sıcaklık artışlarının temel nedeni olduğu düşünülmektedir.

Şekil 6. Egzoz gazı çıkış sıcaklıkları

4. SONUÇLAR

Dizel yakıtına oranla dizel içerisine karıştırılan kanola yağı metil esteri aşağıdaki sonuçların tespit edilmesine imkân vermiştir:

- Düşük devir olarak adlandırdığımız 1100 ve 1500 d/dak için, özellikle karışım yakıtının atomizasyon problemi yaşadığı ve yakıtın tutuşmasının dizel yakıtına kıyasla daha zor olduğu gözlemlenmiştir. Ancak, bu durumun yüksek devir olarak adlandırdığımız 1800 d/dak için söz konusu olmadığı ve yakıtın ihtiva ettiği oksijenin yanma için daha baskın bir hal aldığını söyleyebiliriz.

1037

- CO emisyon değerleri, dizel yakıtına kanola yağı metil esteri karışımı ile yüksek devirlerde daha düşük emisyon değerlerini göstermesinden dolayı olumlu etkiye sahip olmuştur.

- CO2 emisyonları, motor devrinin yükselmesi sonucu silindire alınan karışım yakıt miktarının artması ile daha yüksek değere ulaşmıştır.

- Kanola yağı metil esteri, her iki yakıt türü için O2 emisyon değerlerinin çok yakın olduğu, ancak karışım yakıttaki O2 emisyon değerlerinin bir miktar daha yüksek çıkmasına imkân vermiştir.

- Motor devrinin artması ile NOx emisyonları da artış göstermiştir. Devir yükseldikçe dizel yakıtına oranla karışım yakıt NOx emisyonu daha fazla artmıştır.

- Karışım yakıt içerisindeki kanola yağı metil esteri, motor devrinin artması sonucu dizel yakıtın aksine HC emisyon değerlerinin giderek azalmasına, yani yanmanın iyileşmesine imkân vermiştir.

- Egzoz gaz sıcaklıkları, silindire alınan karışımdaki kanola miktarının artması ile orantılı şekilde arttığı görülmüştür.

KAYNAKLAR [1] Özgüven, M., Yağ Bitkileri. Kolza, Ayçiçeği, Hintyağı. Ç.Ü. Ziraat Fakültesi Ders Kitabı. No:47. 1-77 Adana, 1990.

[2] Süzer, S., Ziraat Yüksek Mühendisi Yetiştirme Tekniği Bölüm Başkanı Trakya Tarımsal Araştırma Enstitüsü, Edirne.

[3] Baydar, H., Bitkilerde Yağ Sentezi, Kalitesi ve Kaliteyi Artırmada Islahın Önemi. Türkiye Tarım Kredi Kooperatifleri Merkez Birliği Yayını, Ekin Dergisi, Yıl: 4, 11 Ocak-Mart 2000.

[4] Akpınar, Ç., Kanola sonrası yetiştirilen II. Ürün mısır bitkisine mikoriza aşılamasının verim ve besin elementleri alımına etkisi. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi, Adana, 2011.

[5] Downey, R. K., Röbbelen, G., Brassica spacies. In Röbbelen, G, R. K. Downey, and A. Ashri (Eds.). Oil crops of the world. McGraw-Hill Publ. Co. New York, USA. Chapter 16. Pp. 63-86, 1989.

[6] Aytaç, Z., Gülmezoğlu, N., Kutlu, İ., Tolay, İ., Çinko uygulamasının kanola çeşitlerinin verim ve sabit yağ oranı üzerine etkisi, Toprak Su Dergisi, 5 (1): 29-36, 2016.

[7] Algan, N., Kanola Tarımında Çeşit Sorunu ve Agroteknik Yöntemler, TOKB Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü, Menemen, İzmir,1990.

[8] Atakişi, İ., Yağ Bitkileri Yetiştirme ve Islahı. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Ders Kitabı 10, Yayınları 11, Yayın No: 148, 1991.

[9] Tıraş, M. Türkiye’de Kanola Tarımı, Doğu Coğrafya Dergisi, 159-172, 14 / 21 Eylül 2011.

[10] Tan, A. Ş., Bazı kolza (kanola) çeşitlerinin Menemen koşullarında verim potansiyelleri. Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü Dergisi, Anadolu, J. Of AARI., 19 (2): 1-32, 2009.

[11] Clarens, A. F., Resurreccion, E. P., White, M. A., Colosi, L. M., Environmental Life Cycle Comparison of Algae to Other Bioenergy Feedstocks, Environmental Science and Technology, 44:1813–1819, 2010.

[12] Gürleyük, S.S., Akpinar, S., Yeni Enerji Kaynakları: Biodizel, Yenilenebilir Enerji Kaynakları II. Sempozyum, YEKSEM'2003, İzmir, 406- 411, 2003.

[13] Connemann, J., Fischer, J., Biodiesel World 2000, International Congress and Expo Lipids, Fats, and Oils, Würzburg, Almanya, 8-10 Ekim 2000.

[14] Li, Q., Backes, F., Wachtmeister, G., Application of canola oil operation in a diesel engine with common rail system, Fuel 159, 141–149, 2015.

[15] Roy, M.M., Wang, W., Bujold, J., Biodiesel production and comparison of emissions of a DI diesel engine fueled by biodiesel–diesel and canola oil–diesel blends at high idling operations, Applied Energy 106, 198–208, 2013.

[16] Can, Ö., Öztürk, E., Yücesu, H.S., Combustion and exhaust emissions of canola biodiesel blends in a single cylinder DI diesel engine, Renewable Energy 109, 73-82; 2017.

[17] Ge, J.C., Kim, H.Y., Yoon, S.K., Choi, N.J., Reducing volatile organic compound emissions from diesel engines using canola oil biodiesel fuel and blends, Fuel 218, 266–274, 2018.

[18] Bayındır, H., Işık, M.Z., Aydın, H., Evaluation of combustion, performance and emission indicators of canola oil-kerosene blends in a power generator diesel engine, Applied Thermal Engineering 114, 234–244, 2017.

[19] Efe, Ş., Ceviz, M.A., Temur, H., Comparative engine characteristics of biodiesels from hazelnut, corn, soybean, canola and sunflower oils on DI diesel engine, Renewable Energy 119, 142-151, 2018.

[20] Yerrennagoudaru, H., K, M., Investigation of a Diesel Engine with Ceramic and platinum coated piston using Canola oil, Soyabean oil and Palm oil blended with Ethanol, 5th International Conference on Materials Processing and Characterization, Materials Today: Proceedings 4, 725–733, 2017.

1038

Computer Assisted Sensory Transformation and Perception Extension System

S. Koçkanat1, E. Ünsal2*, P. Tütüncü1, E. Kopuz2, S. Esen1

1Department of Electrical and Electronics Engineering, Cumhuriyet University, Sivas, Turkey 2Department of Computer Engineering, Cumhuriyet University, Sivas, Turkey

Abstract Any data sensed by sensory organs interact with the brain; thus, creating a pattern and result in the brain. The incoming data are electrochemical signals. The learning process of the brain takes place in the form of the creation of new neural connections. There is no matter from where or how the signal goes to the brain. From the past to the present day, many technologies and treatments have been developed in this area. However, most of these technologies and treatments are performed with high cost or surgical intervention. Taking these into consideration, a less expensive and harmless technology idea has emerged that can stand against these sensory treatment methods. In this study, a new method has been proposed for non-audiophile individuals to turn the voice signal into a vibration pattern and transmit it from different points in the body to enable the person to perceive the voice as a vibration. The sound is taken with the help of a microphone and processed with various functions, then, transferred to an Arduino microprocessor card in a pattern. With the help of the vibration motors connected to the Arduino, it is ensured that the person feels this vibration as vibration waves. A person who has been studying for a certain period of time will be able to recognize the vibratory responses of the voice and will be able to perceive the external world as vibration waves in a fluid way. Finally, the developed system has been tested on individuals and it has been observed that the individual perceives different patterns in different sounds. Throughout the training process, the individual will be able to recognize the vibration responses of the sound, and exchange ideas about product development. In the future, it is planned that the received data will not be limited to only audio data but will be converted into vibration waves by sensor or data stored in data storage.

Keywords: Sensory Substitution, Pattern Creation, Sound Analysis, Vibration Motors.

1. GİRİŞ

Bu çalışmanın çıkış noktası, fiziksel eksiklikleri olan bireylerin topluma ayak uydurmasına katkı sağlanmasıdır. Görme yetisi eksikliği olan insanların okuyabilmeleri için Braille Alfabesi geliştirildiği gibi duyma yetisi eksikliği olan insanlar için ortamdaki sesleri algılayıp titreşim yoluyla kişiye aktararak, normal yaşantısına daha güçlü bir iletişimle devam edebilmesi planlanmıştır. Başta duyma yetisini kaybetmiş insanlar olmak üzere gerçekleştirilmesi amaçlanan proje, ilave olarak farklı fonksiyonel duyular geliştirilerek farklı kesimleri de kazanmayı hedeflemektedir.

Daha önce yapılan araştırmalar incelendiğinde, 2011 yılında, herhangi bir verinin duyusal yer değiştirme veya yeni bir duyu ekleme amacı ile veriyi bir desenle aktaran VEST (Versatile Extra-Sensory Transducer) adında bir yelek tasarımı Eagleman ve Novich tarafından gerçekleştirilmiştir [1]. Aynı sistem geliştirilerek yine Eagleman ve Novich tarafından 2015’de bileklik tasarımı olarak yeni bir işlevsellik kazanmıştır [2]. Projede, amaç olarak aynı fakat yöntem olarak farklı bir yol izlemektedir. Benzer şekilde bu çalışma içerinde duyma yetisini kaybeden kişiler için benzer bir yöntem geliştirilmiş olup izlenilen yol yöntem ve metotlar bölümünde detaylıca anlatılmıştır.

* Corresponding author. Tel.: +90 505-670-4896 E-mail address: eunsal@cumhuriyet.edu.tr (E. Unsal).

1039

Duyu işlevi kazandıran diğer cihazlar hem riskli ameliyatlar gerektirmekte, ayrıca maliyetleride oldukça yüksektir. Ancak gerçekleştirilecek olan bu proje sayesinde hem insan vücuduna hiçbir fiziksel hasar vermeyecek hem de kullanılan materyallerin ucuz olmasından dolayı diğer cihazlara göre hem maliyet hem de kolaylık sağlayacaktır. Ayrıca duyma yetisi zayıf veya hiç olmayan insanların günlük hayatlarında topluma uyum sağlamaları ve işlerini kolaylaştırması açısından hem ulusal hem de uluslararası düzeyde fayda ve katkı sağlamaktadır. Tasarlanan sistem Şekil 1’de gösterilmiştir.

Şekil 1. Proje genel algoritması

Bu çalışmada, ses sinyalleri Matlab ortamına aktarılıp, sinyal işleme yöntemleri uygulanarak anlamlı bir desen oluşturulmak hedeflenmiştir. Oluşturulan desen mikroişlemci kartı üzerinden titreşim motorlarının çalıştırılması için kullanılmaktadır. Böylece ses verisi farklı bir duyu aracılığıyla kişi tarafından hissedilir hale gelmektedir.

2. MATERYAL VE YÖNTEM

Günümüzde tümleşik devre teknolojisi hem fiyat olarak ucuzlamış hem de pazarlama açısından yaygınlaşmıştır. Artık belirli görevleri yaptırmak için özelleşmiş ve görev zorlukları arttıkça da karmaşıklıkları artan elektronik kart sistemlerinin tasarımı yaygınlaşmıştır. Bu projede özellikle hem fiyat ve tedarik hem de yazılım kolaylığı açısından Arduino Uno geliştirme kartı tercih edilmiş ve algılama sistemi bu temele oturtulmuştur [3].

Bilgi içeren ve ölçülebilen her elektriksel işaret, işaret işlemenin hammaddesidir. Son yıllarda ses, görüntü ve video üzerinde analiz ve yorum yapılmasına imkân veren sayısal işaret işleme, teknolojik gelişimde önemini artırmaktadır. Projede dış ortamdan mikrofon yardımıyla alınan ses işaretleri örneklenerek sayısallaştırılmakta, üzerinde işaret işleme uygulamaları gerçekleştirip örüntüler oluşturularak, bu örüntüler titreşimlere dönüştürülmekte ve insan beyni için algılanabilir hale gelmektedir (Şekil 2). Yapılan tüm bu işlemler matematiksel temellere dayanan yöntemler sayesinde ortaya çıkarmaktadır [4].

Şekil 2. Görselleştirilmiş işlem adımları

Son yıllarda birçok çalışma insanoğlunun en stratejik organı beyin üzerine yönelmiştir. Çünkü insanların beyinlerinin yönlendirilmesi ve işlevinin çözülmesi ile yapay zeka uygulamalarının geliştirilmesi, araştırmacıların çok büyük ilgisini çekmektedir. Ancak bu kadar yoğun çalışmalara rağmen beynin tamamen çözümlenebildiği söylenemez [5]. Projenin en temel noktası olan seslerin titreşimlere dönüştürülmesi sonrasında öğrenme işlemi, beynin hala tam olarak açıklanamayan öğrenme algoritmalarına dayanmaktadır. Beyin sanılanın ötesinde anlamlı örüntüler içeren her şeyi yani bir desene uyarlanmış titreşimleri de öğrenebilmektedir [5]. Dolayısıyla beyin-sinir bilimi projenin temellerini oluşturmaktadır.

Duyusal yer değiştirme yöntemlerinde kullanılması amacıyla tercih edilen veriyi başka bir yöntemle beyne algılatma işleminde dönüştürülecek verinin çok fazla çeşidi mevcuttur. Ancak bu çeşitliliğe karşın beyne iletme yolları sınırlı sayıdadır [2]. Bu nedenle projenin başlıca amacının toplumsal sorunlara çözüm olması kararı esas alınmıştır. Bu nedenle başlangıç olarak işitsel duyu kaybı yaşayan bireyleri hedef alan proje, giriş verisi olarak ses, çıkış verisi olarak da titreşim verisini kullanmaktadır. Proje kapsamında alınan ses verisinin, sinyal işleme yöntemleri uygulandıktan sonra titreşim yoluyla kullanıcıya aktarılabilmesi için titreşim motorları ve Arduino Uno geliştirme kartı kullanılarak bir elektronik aygıt tasarlanmıştır. Kullanılan donanımlara ait detaylar aşağıda verilmiştir.

1040

2.1. Düğme Tipi Şaftsız Titreşim Motoru Titreşim motorları kompakt boyutlarda çekirdeksiz DC motorlardır. Genel kullanım amaçları kullanıcıyı titreşim yoluyla sessiz bir şekilde uyarmaktır. Titreşim motorlarının genel özellikleri motor içinde mıknatıs kullanılmasıdır. Bunun dışında ortak özellikleri küçük boyutlu ve hafif olmalarıdır. Bu özellikleri sayesinde titreşim motorlarının performansları oldukça güvenilirdir. Piyasada birçok çeşit titreşim motoru mevcuttur. Ancak projede kullanılacak titreşim motorlarının istenilen düzeyde titreşim şiddetini karşılaması buna karşılık olarak çok fazla güç harcamaması gerekmektedir. Bu sebeple boyutları küçük, şiddeti yüksek olan düğme tipi şaftsız titreşim motoru projede kullanılmak üzere seçilmiştir. Düğme tipi şaftsız titreşim motorunun özellikleri Tablo 1’de mevcuttur.

Tablo I. Titreşim Motoru Özellikleri.

DC motorların genel çalışma mantığına bağlı olarak kullanılan titreşim motorları da minimum gerilim değerinde minimum titreşim şiddeti, maksimum gerilim değerinde ise maksimum titreşim şiddeti sağlamaktadır.

2.2. Arduino Uno Geliştirme Kartı

Bu proje kapsamında kullanılan Arduino Uno geliştirme kartı ses verilerinden çıkarılan desenin titreşim motorlarına aktarılması için kullanılmıştır.

Tablo II. Arduino UNO geliştirme Kartı Özellikleri [3].

Arduino UNO, 2010 yılında insanların kullanımına sunulan, Atmega328 mikro denetleyicisini kullanan, bu alanda en çok kullanılan Arduino kartlarından birisidir. Kart üzerinde 6 adet Pulse-width Modulation (PWM) çıkışı bulunmaktadır [5].

PWM, dijital çıkışın analog çıkış gibi görev yapmasını sağlamak için geliştirilen bir yöntemdir. Dijital çıkış 0 ile 1 arasında değişir. Bu çıkışa belli aralıklarda ve belli uzunlukta 1 veya 0 değeri gönderilip bunu sürekli

Mikrodenetleyici DC Titreşim Motoru Çalışma Gerilimi 2 - 5 VDC Nominal Akım 70mA Max İlk Akım 901mA Max Nominal Gerilim 3 VDC İlk Gerilim 2.3 VDC Hız 12000±2500RPM/Min Çap 1 cm/0.39 "

Mikrodenetleyici ATmega328P

Çalışma Gerilimi 5V

Giriş Gerilimi 7-12V

Dijital G/Ç Pinleri 14 (6 tanesi PWM çıkışı sağlar)

Analog Giriş Pinleri 6

G/Ç Pini başına DC Akım 20mA

3.3V Pin için DC Akım 50mA

Flash Bellek Önyükleyici tarafından kullanılan 0,5 KB olan 32 KB (Atmega328P)

SRAM 2 KB (Atmega328P)

EEPROM 1 KB (Atmega328P)

Clock Hızı 16 MHz

Ağırlık 25 g

1041

olarak tekrarlamak dijital çıkışın analog çıkış gibi davranması sağlanır. PWM sinyal kesiti arttıkça ortalama voltaj değeri artar ve bu sayede dijital çıkıştan analog gibi davranan çıkış sinyali elde edilir.

Projede PWM sinyali, titreşim motorlarının şiddetini belirlemek için kullanılmaktadır. Frekans örneklemesinden elde edilen motorların çalışma düzeni Arduino tarafında kodlanıp her motora ayrı bir PWM değeri göndererek desen elde edilir.

Desenlerin oluşturulmasındaki en büyük etkenlerden biri olan titreşim motorları, vücuda giyilen bir giysi/aksesuar üzerinde bulunur. Titreşimlerin anlaşılır olması için motorların titreşim seviyelerinin yüksek olması ve birbirleri arasındaki mesafeler büyük bir önem taşımaktadır. Motorların konumlanmaları ne çok yakın nede çok uzak olmalıdır [5]. Desenin anlaşılabilir olması büyük önem taşıdığından test aşamaları yapılıp en anlaşılabilir mesafe ölçülecektir [1]. Motorların tork gücünün yüksek olması düşük ses genliklerinde bile titremesine olanak sağlamıştır.

2.3. Yazılım Tasarımı

Projenin gerçekleştirme aşamalarından ses işaretlerini çözümleme ve işleme kısmı Matlab programı üzerinde gerçekleştirilmiştir [3]. Veri bir ses dosyasından veya mikrofondan alınarak ses okuma fonksiyonu aracılığıyla Matlaba aktarılır. Matlab üzerinde öncelikle sinyalin genliği örneklenerek titreşim motoruna gönderilecek gerilim değeri ayarlanır. Böylece gelen sesin şiddetine göre titreşim motorlarının şiddeti ayarlanır. Titreşim motorunun çalışma şiddetini belirleyen sinyalin genliği 8 parçaya bölünerek motorların çalışacağı gerilim seviyeleri belirlenir (Şekil 3). Çünkü yapılan deneylerden elde edilen sonuçlara göre titreşimler arasındaki geçişlerin bireyler tarafından algılanabilmesi için 8 farklı titreşim modu oluşturulması gerekmektedir.

Şekil 3. Sesin Genlik Örneklemesi

Daha sonra ses verisinden alınan sinyal, Matlab aracılığıyla frekans örnekleme işlemi yapılarak sesin içindeki kelimeler ayıklanır. Elde edilen her kelimelerin kendine özgü frekansı kullanılarak her bir kelime için bir desen tanımlanır. Sesten elde edilen, kelimeleri tanımlayan desenler aynı sırayla titreşim motorlarına aktarılır. Desenlerin titreşim motorları aracılığıyla kişiye aktarılması sonucunda kişinin deseni öğrenme işlemi başlayacaktır.

2.4. Dijital Ses İşleme (DSP)

Konuşma, farklı ses türleri dizisidir. Bu dizi içindeki kelimeleri ayrıştırmak için kelimelerin arasındaki duraksamalar yani sesin alçaldığı noktaları belirleyip sinyalin içinden kelimelerin geçtiği noktalar örnek alınır. Bu işlem bir kaç adımda gerçekleşir. İlk önce sinyalin içerisindeki kelimelerin sayısını hesaplamak için örnekleme sayısı belirlenir. Dizi aşımı hatasından kurtulmak için sinyal baştan ve sondan kelimeleri etkilemeyecek şekilde kırpılır ve ikinci bir sinyal oluşturulur. Sinyalin enerjisini hesaplamak için yeniden şekillendirme yapılır (Denklem 1). Daha sonra sinyalin enerjisi örnekleme sayısına göre hesaplanarak içerisindeki duraksamaları belirlemek için bir eşik değeri ayarlanır (Denklem 2). Bir sonraki adımda eşik değeri ile enerji sinyali kıyaslanır ve eşik değerini geçen değerlerin bulunduğu alan yeni bir sinyalde 1 olarak, geçemeyen değerlerin bulunduğu alan ise 0 olarak belirlenir. Son olarak başlangıç sinyali ile son oluşturulan sinyal karşılaştırılarak sinyalin 1 olduğu alanlar yeni bir ses dosyasına kaydedilir. Böylece sinyalin içerisindeki kelimeler ayrıştırılarak konuşma algılama işlemi yapılmış olur.

Aşağıda ses analizinde kullanılan enerji ve eşik değeri formülleri açıklanmaktadır [6].

Enerji Formülü 𝐸𝐸(𝑡𝑡) = ∫ 𝑥𝑥2(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑡𝑡+∞

−∞ (1)

Eşik Değeri Formülü

1042

𝑇𝑇 = �1𝑁𝑁∑ 𝐸𝐸(𝑖𝑖)𝑁𝑁𝑖𝑖=1 � ∗ %20 (2)

3. BULGULAR

Projede yazılım tasarımı sonucunda mikrofondan alınan ses sinyali sesli-sessiz bölgelerine ayrıştırılarak kelimelerin algılanması gerçekleştirilmiştir (Şekil 4a). Alınan ses ortama ve kişiden kişiye değişebilir olduğundan eşik değeri enerji sinyalinin ortalamasının %20’si olarak alınmıştır (Şekil 4b). Yapılan işlemler sonucunda birtakım harflerin ve kelimelerin frekans değerlerinin diğerlerine oranla daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.

Şekil 4. a. 1-10 arası İngilizce sayan ses verisi b. Şekil 4.a’da yer alan sinyalin enerjisi

Frekans ve genlik değerleri motorların çalışma düzenini belirleyecek desenin oluşumunda kullanılmıştır. Bu düzene göre genlik değerleri motorların titreşim şiddetini belirleyen etken olarak alınmıştır. Frekans değerleri ise motorların sırasını ve darbe sıklığını belirleyen bir etkendir. Eşik değerini geçen her değer için titreşim motoru belli bir süre titreyeceği gerçeğini göz önünde bulundurursak ve matlab programı mikrosaniyelere kadar ses duyarlılığı sağladığını düşünürsek her hangi bir harfin titreşim motoru üzerinde yürütülmesi dakikalar alacaktır. Bu sıkıntıya çözüm yolu olarak genliğin zaman ekseninde sıkıştırılarak duyarlılığın mikrosaniyelerden saliselere çekilmesi teklif edilmiştir. Böylece kelimenin bittiği sinyal değerinde titreşim motoru çalışmayı durduracak ve bir sonraki eşik değerini geçen ses değerini bekleyecektir. Geliştirilen sistemde kullanılan titreşim motorları ve Arduino geliştirme kartı Şekil 5’te gösterilmiştir.

Şekil 5. Oluşturulan ve üzerinde deneme yapılan sistemin görüntüsü

1043

4. TARTIŞMA VE SONUÇ

Bu proje kapsamında yapılan çalışmalar sonucunda mikrofondan alınan sese karşılık gelen titreşim örüntüsünün kendine has olduğu gözlemlenmiştir. Kullanılan titreşim motorlarının boyutlarının küçük olduğu ve oluşturduğu titreşimin şiddetinin çok yüksek olmadığı göz önüne alınırsa oluşturulacak tasarımın cilde temas eden bir aksesuar olması kararlaştırılmıştır. Titreşim motorları cilde temas eden yüzeyde bulunması titreşim örüntüsünün algılanması açısından kolaylık sağlayacaktır. Bununla birlikte titreşim motorlarının birbirine olan uzaklığı ve aksesuarın kuşanıldığı alandaki kılcal sinir damarlarının yoğunluğu ve buna bağlı olarak bu damarların beyine olan uzaklığı da aynı şekilde titreşim örüntüsünün algılanmasında büyük rol almaktadır. Bu yerleşkenin kararlaştırılması aşamasında sinir bilim araştırmaları yapılmış olup uzmanlar ile fikir alışverişi yapılmıştır. Sonuç olarak kol kısmının dirsek ile bilek kesitini kapsayan bir aksesuar tasarımı düşünülmüştür. Buna benzer olarak daha önce yapılan çalışmalarda ses iletiminin titreşim deseni yoluyla gerçekleştirildiği yelek ve bileklik tasarımları da mevcuttur [5]. Ancak bu benzer çalışmalar daha kapsamlı olup henüz bu projenin daha araştırma-geliştirme aşamasında olduğunu gözler önüne sermektedir. Gelecekte projenin çeşitli sürümleri türetilip günlük hayatta ihtiyaç duyulan veya istenilen tüm alanlarda kullanılabilir hale getirilebilir.

TEŞEKKÜR

Bu çalışmada kullanılan Matlab R2016a yazılımı Cumhuriyet Üniversitesi Bilgi İşlem Dairesi tarafından lisanslanmıştır.

REFERANSLAR [1] Novich, S., Cheng, S., Eagleman, D. M., Is synaesthesia one condition or many? A large-scale analysis reveals subgroups,

Journal of Neuropsychology 5, 353–371, 2011.

[2] Eagleman, D. M., Novich, S.D., Using space and time to encode vibrotactile information: toward an estimate of the skin’s

achievable throughput, Exp Brain Res, 233; 2777–2788, 2015.

[3] Arduino Uno Geliştirme Kartı, (2005-2018), (online), Available: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3

[4] The Mathworks offical website, (1994-2018), (online), Available: http://www.mathworks.com/

[5] Novich, S., Sound-to-touch sensory substitution and beyond. Doctor of Philosophy Thesis, Houston Texas, Mayıs., p.2-6, 2015.

[6] Ertürk, S., Sayısal İşaret İşleme, Birsen Yayınevi, 1. Baskı, 2009.

1044

Analysis of Lake Level Variation in Time-Scale Domain and Application for Tuz Lake

T. M. Cengiz1,*

1Department of Civil Engineering, Tekirdağ NKU Corlu Engineering Faculty, Tekirdag, Turkey

Abstract In this study, main goal is analyzing of lake levels variation in time-scale (period) domain by continuous wavelet transform and global spectrums of it. For application, Tuz lake of Turkey was selected. The primary focus of this study is to investigate the variability of lake levels in the lake using the method of continuous wavelet transforms and global spectra. Monthly lake levels variations of selected location were analyzed by wavelet transform. Tuz lake levels shows different time-scale domain. Especially, the global spectrums of the continuous wavelet transform clearly explained climatic characterization of the analyzed lake level. According to the continuous wavelet transform (CWT), the main periodic events are seen at the scale levels of 1-4 and 8-21 years. The periodic structures of Tuz levels are between the 1-year and 21-year scale level. The dominant inter-decadel periodic events are seen approximately at the 11 year scale level.

Keywords: Wavelet Transform, Periodic Structure, Tuz Lake, Turkey.

1. INTRODUCTION

Turkey is a bi-continental country that is located mainly in the Middle East and partly in Southeast Europe; The Anatolian peninsula comprises most (97%) of its territory, and is situated between the Black Sea on the north and the Mediterranean Sea to south and west, with the Aegean Sea (and Marmara Sea) in between. Turkey is a rich country for its fresh water sources, there are many rivers, lakes, lagoons and reservoirs around the country1.

Time series of hydrological variables include much secret information. In the time domain analysis of the variables is not sufficient for comprehensive evaluations. They need to evaluate by using different point of view. Hydrologic variables are important indicators of climatic change. These variables tend to reflect climatic change and can help in understanding the relations between hydrology and climate [1]. One of significant sign of climatic change is lake level variation. Water level fluctuations of lakes are related to regional to global scale climate changes. Water level fluctuations reflect variations in evaporation and precipitation over the lake area and its catchment area. According to Kite [2], meteorological observations can always suffer from changes in the environment and local effects such as urbanization. On the other hand, lake levels and river flow are less affected such conditions, except directly affected by man’s activity. In the study, various time series included streamflow, lake levels and precipitation were analyzed for detection of climate characteristics. In the other study of Kite [3], lake levels of Victoria and Superior were analyzed according to their spectral components. The lake water levels in different regions of the world have been measured since the beginning of the 20th century. Many measurements methods are widely used for lake levels. In one of recent study, Mercier et al., [4] presented results of lake level variations of 12 African lakes based on 7 years of Topex/Poseidon (T/P) altimetry data.

1 Corresponding author. Tel.: +90 282-2502321: fax: +90 282 2509924. E-mail address: tcengiz@nku.edu.tr (T.Cengiz)

1045

They have been continuously affected by hydrological, meteorological and anthropogenic conditions. Several geophysical processes may affect the level fluctuations of lakes, either locally or globally. Height changes of the water column can be generated by:(1) the fluctuations of the volume of this column due to temperature or composition alterations; (2) surface pressure changes; (3) water circulation processes; (4) wind-driven events (slope of the surface, seiches; e.g.); (5) tides. For example, the circulation mechanisms of climate anomalies in the southern tropical Andes were evaluated in context upper-air and surface analyses, water level measurements of Lake Titicaca [5] and mathematical model of Dead Sea was also derived by water level records [6] For this complex nature of lake levels, they need powerful tools for analysis. Since the wavelet transform method is an ideal tool for analyzing nonstationary series, it has an explosion interest for a few years in water resources. One of the first wavelet transform studies in water resources was performed by Kumar and Foufoula-Georgiou [7]. In their study, rainfall records were firstly decomposed by using the multi resolution technique, then components were analyzed. Satellite images of rainfall events were also analyzed by using same technique. Venugopal and Foufoula-Georgio [8] performed another study deals with time-frequency-scale features of high-resolution temporal rainfall. In their study, hourly precipitation records were analyzed by using wavelet packets. The best representation, such as the maximum information with the minimum coefficients, was obtained for a signal. The short-lived structures and their associated frequencies and as well as energy were examined in the study.

Nowadays, a lot of scientists tend to investigate hydrological multivariate phenomena in a region by using wavelet transforms. For example, Labat et al. (2000) [9] studied rainfall rates and runoffs measured at the outlet of karstic springs located in Pyrénées Mountains and the Larzac plateau. In their study, wavelet transform was proposed in order to characterize and to clarify the temporal variability of the relationship between two processes. In the study of Gaucherel (2002) [10], a standard statistical analysis and wavelet analysis of the French Guyana flow rates were performed. The standard and wavelet statistics were then classified over the watersheds set. Characterization of the different basins from their flow rate curves were succeeded by aid of the standard and wavelet transform. Lafreniére and Sharp [11] investigated the runoff regimes of two adjacent alpine catchmants (one largely glacier covered, and one virtually ice free), their relationship to meteorological forcing, and their inter-annual variability over an ENSO cycle. Wavelet analyses of temperature, discharge, and rainfall time series are used to compare the seasonal and inter-annual variability of hydrological processes operating in the two catchments in four consecutive summers. In the study of Lucero and Rozas [12], it is proposed to identify the changes in seasonal number of rainy days and daily rainfall amount taking place during observed climate variability in annual rainfall. An analysis of the time series of annual rainfall using integral wavelet transform permitted to identify the sub decadal and inter decadal characteristics of the climate change. In the study of Smith et al. [13], they analyzed 91 daily and hourly streamflow series by using discrete wavelet transform. Using discrete wavelet transform, streamflow series were decomposed to their components. Energy variations of components were used for streamflow classification by considering with regional climate conditions. For climate analysis and predictions, either wavelet spectrum or global spectrum are widely used for climatic studies in last five years. Qian et al., [14] investigated potential contribution of maximum subsurface temperature anomalies to the climate variability. Maximum subsurface temperature anomalies periods of mode series were performed from a global wavelet spectral analysis. Pisoft et al., 2004 [15] cycles and trends in the Czech temperature series. They periodicities and oscillations from the series wavelet power spectra and global wavelet spectra. In the research of Benner (1999) [16], he examined the central England temperature record from 1659 to 1997, both for its own variability and for its relationship to other climatic records. He used four spectral methods which include global wavelet spectrum. Mwale at al., [17] calculated variability and predictability of seasonal rainfall of central southern Africa for 1950-94.

Although many studies related with wavelet transform are performed, studies of lake level variation analysis using wavelet transform are limited. Analysis of wind-induced thermocline oscillations of lake Tanganyika is performed by morlet wavelet [18]. In the study, wavelet transform is used to study the evolution of periods of thermocline oscillations with depth in the time series of observations and along the length of the lake using model simulations. In the study of Golitsyn at al. [19], Ladoga and Onega hydrological regimes and their variations were analyzed. Based on the analysis, including wavelet, of the longer series of long-term variations in the Ladoga water level, it was found that the spectral structure pronouncedly changed in the period from 1859 to 1995. Liu and Hawley (2002) [20], investigated grouping characteristics in near shore Great Lakes.

The wavelet technique was applied on the Turkey hydrological data in only a few studies but for different purposes except in the study by Partal and Kucuk [21]. This technique was used to simulate streamflow [22], to simulate rainfall and to forecast Daily precipitation [23]. Küçük et al., [24] showed that the periodic structures of Turkish lake levels in relation to the NAO revealed a spectrum between the 1-year and 10-year scale level. Cengiz [25] pointed out that the time-scale analysis of lake-levels in the Great Lakes clearly indicated the effects of the long periodic events. These interannaul variations possibly the result of long term climate change such as El Nino Southern Oscillation, the North Atlantic Oscillation and global warming.

1046

In the present study, we investigate that how the lake level fluctuations vary in time scale domain. Therefore the purpose of this investigation is to see periodic structures of lake level variations in time domain. Continuous and global wavelet spectrums of streamflow used for climate classification [13], [26]. In the present study, we considered both wavelet continuous and global spectrums results for climate of the lake region. For these purpose, both wavelet continuous and global spectrums are used.

2. DATA AND METHODOLOGY

2.1 Application region and data In order to explain lake level variation used Tuz Lake of Turkey for application. Turkey is one of the most suitable location to examine different characterization of lake levels. Turkey's diverse regions have different climates because of irregular topography. Taurus Mountains located at Mediterranean Sea coastline is close to the coast and rain clouds cannot penetrate to the interior part of the country. Rain clouds drops most of their water on the coastal area. As rain clouds pass over the mountains and reach central Anatolia where lake Tuz and lake Beyşehir locate, they have no significant capability to produce of rain [28]. Although Turkey is situated in large Mediterranean geographical location where climatic conditions are quite temperate, diverse nature of the landscape, and the existence in particular of the mountains that run parallel to the coasts, result in significant differences in climatic conditions from one region to the other. While the coastal areas enjoy milder climates, the inland Anatolian plateau experiences extremes of hot summers and cold winters with limited rainfall. The temperature decreases gradually towards the northwest where lake Sapanca is located and the northeast, yet this decrease is less strong during summer due to the continental effects of the inner regions. On average, the Mediterranean coast has the highest temperature, followed by the Aegean, the eastern part of the Black Sea region and the Marmara coasts. A map of the Anatolian Plateau and selected the lake location are shown at Figure 1. Location, areas and statistics of monthly averaged lake level records are seen at Table 1. The lake levels were recorded during the period of January of 1960 - June of 2002. Total sample lengths of the records are 512 months. Lake levels time series are shown in Figure 2. According to the figures 2 Lake Tuz has very small variance in the time series. In the records taken the General Directorate of Electrical Power Resources Survey and Development Administration (EİE).

Fig. 1. Map of the Lake Tuz

Table I. Locations, areas and statistics of monthly averaged lake level records.

1047

Fig. 2. Time series of water level Tuz Lake

2.2 Method of wavelet analysis

In recent years, there has been an increasing interest in wavelets, in a wide range of fields in science and engineering and beyond. Wavelet Transform (WT) analysis, developed during the last two decades, is a letter tool than the Fourier transform for the study of the measured nonstationary time series, transient phenomenon like hydrological processes [29]. The basic ideas are simply stated. In broad terms, wavelet decomposition provides a way of analyzing a signal both in time and in frequency [30]. Wavelet spectrum, based on the continuous wavelet transform, is a natural extension of the familiar, conventional Fourier spectrum analysis and short time Fourier spectrum analysis which are commonly used in hydro-meteorologic time series analysis [31]. Instead of results presented in a plot of energy versus frequency for energy spectrum in Fourier transform (FT) and fast Fourier transform (FFT), the wavelet spectrum is three dimensional and energy appears as contours lines plotted in the time-frequency domain. This provides an ideal opportunity to examine the process of energy variations where and when the hydrological events occur [20].

Assuming a continuous time series x(t), t ∈ [ ∞, -∞], a wavelet function ψ (η) that depends on a nondimensional time parameter η can be written as

( ) ( )

−

== −

stss τψτψηψ 2/1,

(1)

where t denotes time; τ is the time step in which the window function is iterared;

s ∈ [ 0, ∞ ] for the wavelet scale. ψ (η) must have zero mean and be localized in both time and Fourier space [32]. The CWT is expressed by the convolution of x(t) with a scaled and translated ψ (η),

dts

ttxssW ∫+∞

∞−

∗−

−

=τψτ )(),( 2/1

(2)

where (*) denotes complex conjugate. By changing varying both s and τ values gradually, one can construct a two-dimensional picture of wavelet power, |W(τ,s)|2 indicating the frequency (or scale) of peaks in the spectrum of x(t), and how these peaks change with time. During computation of the analyzing, the wavelet is shifted smoothly over the full domain of the analysed signal so that the CWT is also continuous in terms of shifting [33].

In Fourier analysis a signal is broken up into smooth sinusoids of unlimited duration. Similarly, wavelet analysis consists in the breaking up of a signal into wavelets which are waveforms of effectively limited duration and zero mean, but which may be irregular and asymmetric. Wavelet analysis is essentially a windowing technique with variable-sized regions. The analysis consists in shifting forward the wavelet in steps along the full signal and generating at each step a wavelet coefficient that measures the level of

1048

correlation of the wavelet to the signal in the Lake Tuz section as seen in Figure 3. When the full series is covered, a set of wavelet coefficients that has the same consistency in time is generated as that of the original signal. This results in a set (at each scale) of series of wavelet coefficients that are a function of time. Wavelet analysis, thus, gives a time-scale view of a signal and provides a method of expressing natural phenomena by utilizing their very rudimentary multi-fractal basis. The lower scales refer to the compressed wavelet and are able to follow the rapidly changing details or high frequency component of the signal. The higher scales are composed from the stretched version of a wavelet and the corresponding coefficients represent the slowly changing coarse features or low-frequency component.

2.3 Global wavelet spectrum If a vertical slice through a wavelet plot is a measure of the local spectrum, then the time-averaged wavelet spectrum over all certain period or all the local wavelet spectra is

( ) ( )21

0

2 1 ∑−

=

=T

tt sW

TsW

(3)

where T number of points in the time series. The time-averaged wavelet spectrum is generally called global wavelet spectrum [34]). The smoothed Fourier spectrum approaches the global wavelet spectrum when the amount of necessary smoothing decreases with increasing scale. Hence, the global wavelet spectrum provides an unbiased and consistent estimation of the true power spectrum. This spectrum is useful tool for non-stationary time series analysis. The global spectrum is compatible with a power (Fourier) spectrum. When, in a power (frequency) spectrum, spectral components are defined as frequency, periodic components are ordered according to period scales in a global wavelet spectrum. In addition, since a global spectrum is calculated by using a continuous spectrum, the starting and finishing time of the periodic components can be known.

2.4. Analyses of Tuz Lake-levels by continuous wavelet transform

Analyzing of lake level records can give significant ideas both past and future characteristics of lake and climates of region. Therefore, recording and analyzing of the lake level measurements have a highly important role in planning, designing and managing of water resources. It is needed to use an appropriate technique in analysis of lake levels record because of nonstationary characteristics of them. Continuous wavelet transform was used to define periodic structures in the monthly averaged lake levels time series. One of contributions of the continuous spectrums to earth science researches is the explaining of when periodic events start and finish. Transform of the time series was calculated and a three-dimension figure of the transform as seen in Figure 3. The basis function in this analysis are obtained by dilation and translation of a Morlet wavelet function. The Morlet function defined as follows [35].

( ) ( ) 2/2/4/10

22 taiat eeet −−−− −= πψ (4)

Continuous wavelet spectrum results are shown in Figure 3. In the figure the horizontal axes of the figures show the measurement time period. The vertical axes of the figures are logarithmic in order to identify periodic structures of the time series. Total lengths of vertical axis are 512 months. High (low) variance of wavelet coefficients, defined in equation (2), is shown by light (dark) tones in Figure 3. Light color means an increase of lake level. The 512 months scales in figures of the continuous wavelet spectrums should be neglected, because of the length of record and cone influence. Power is reduced near the edges of the spectrum with the introduction of the zeros into the convolution. This zone of edge effects is known as the cone of influence.

In the present study, the wavelet analysis is carried out by means of the “Rwave” module of the R software, which is a system for statistical computation and graphics [36]. A summary of the detected periodic components and their variations in lake levels is given below. Global wavelet spectrums of the lake levels are also calculated (Figure 4).

3. RESULTS AND DISCUSSION

In this section, the wavelet transforms were applied to the observed of monthly lake level series. Figure 3 shows the results of the CWT analysis the monthly lake level Tuz Lake station. Effective periodic events are seen as the light region on the CWT figure. The dashed white line curve is the cone of influence of the wavelet analysis, which depends on the red noise process [37].

1049

Lake Tuz levels continuous wavelet transforms are seen in Figure 3 and global wavelet spectrums of the continuous spectrum are seen in Figure 4 The time-scale analysis indicated that the main periodicities of Lake Tuz series are 12 months events. The variation in Tuz lake level also contains semiannual, annual and interannual periodic components. In Figure 4, the major periodicities are 90 and 136 months event, which was not expected. The annual cycle is seen through whole measurement duration of the lake spectrum. Considering Figure 4, the global spectrums of the lake levels include longer periodic events than 1 year, generally: the spectrum have 12 months (1 year), 48 months (4 years), 90 months (7.5 years), 128 months (11 years), 136 months (11 years periodic events. The energy of the 136 and 90 months periodicities of Lake Tuz is also high when compared to other periodicities. In the continuous spectrum figure of Lake Tuz, the 136 months event is largest over 1965-1977 while 90 months event is largest over 1970-1980. The annual cycle lows are found in 1964 and 1972 and 1973, while high is found in 1963 and 1968 and 1977.

Fig. 3. Continuous wavelet spectrums of monthly averaged Tuz lake levels

Fig. 4. Global wavelet spectrums of monthly averaged Tuz lake levels

1050

4. CONCLUSION This study is to investigate the variability of Tuz lake levels in Turkey region using the method of continuous wavelet transform and global spectra. Wavelet transforms detected the start and finish of periodic events.Wavelet spectra indicate annual and interannual variations of these lake levels. Higher scale events were also major in both continuous and global spectrums of monthly averaged series. The results of this study reveal significant periodicities of Tuz Lakes water levels over the period 1960 to 2002. Continuous and global spectrums of monthly average lake level were evaluated. We used monthly averaged data (512 months or 42 years). Continuous wavelet transform and global wavelet spectrum of the Tuz Lake levels time series exhibited oscillations at different timescales. Higher scale events were also major in both continuous and global spectrums of monthly averaged series. It is found that major lake levels periodicities are generally the annual cycle. Annual cycle events were generally continuous in the continuous spectrum, except for some interruptions. The significant annual cycles of the lake levels are evident four distinct seasons in the region. Periodicities smaller than annual cycles could not be easily detected. Lake levels show a change in dominant interannual scales (14 to 21 years) to interdecadal time scales (10 to 21 years). The dominant inter-decadel periodic events are seen approximately at the 21 year scale level. It is found also that longer periodic events as observed in. The absence of long term periodic events could be clearly detected by continuous and global spectrum of lakes Tuz (Figure 3).Climatic characteristics of a region generally compatible with seasonal variations of hydro-climatic variables such as streamflow, temperature or precipitation. Either streamflow or precipitation series can give valuable information about monthly or seasonal events by using wavelet transform. On the other hand, in the present study, we could easily detect long-term periodical characteristics of a region by lake levels series. Considering to streamflow and precipitation variables, lake levels wavelet spectrums explain interannual periodicities of the climate characteristics than the others. We found that major lake levels precocities are generally annual cycle. Annual cycle events were generally continuous in the continuous spectrum, except some interruptions. By using wavelet transform, we detected when any periodic events start and finish. It is interesting that some periodic events 136 and 90 months events are continuous in the continuous spectrums, addition to annual cycle. As a conclusion, the lake levels are generally affected by long-term periodic events.

The wavelet transforms have been very useful tools to study phenomena such as lake level time series during recent years. The results of the wavelet analysis have exhibited the characteristic and variability of Tuz lake levels. Consequently, the time-scale analysis of lake-levels in Tuz Lake clearly indicated the effects of the long periodic events. These interannaul variations possibly the result of long term climate change such as, the North Atlantic Oscillation and global warming.

REFERENCES [1] Von Storch, H., Navvara, A., Analysis of Climate Variability Springer, New York. Applications of Statistical

Techniques, Springer Verlag., pp. 3-10, 1995.

[2] Kite, G., Use of time series analysisis to detedt climatic change. Journal of hydrology,111, pp 259-279. 1989.

[3] Kite, G., Analysis of Lake Victoria levels. Hydrological Sciences, 27, pp99-110.1982.

[4] Mercier F., Cazena V. A., Maheau. C., Interannual lake level fluctuations (1993-1999) in Africa from Topex/Poseidon : connections with ocean-atmosphere interactions over the Indian Ocean. Global and Planetary Changes 32, 141- 163. 2002.

[5] Hastenraht S., Polzin D., Francou B., Circulation variability reflected in ice core and lake records of the Southern Tropical Andes.64, pp. 361-375. 2004.

[6] Asmar B.N., Ergenzinger P., Dynamic simulation of the Dead Sea. Advances in Water Resources, 25, pp. 263-277, 2002.

[7] Kumar, P., Foufoula-Georgiou, E., A multicomponent decomposition of spatial rainfall fields 1. Segregation of large- and small-scale features using wavelet transforms. Water Resources Research, 29, (8), pp. 2515-2532, 1993

[8] Venugopal, V., Foufoula-Georgiou, E., Energy decomposition of rainfall in the time-frequency-scale domain using wavelet packets. Journal of Hydrology, 187, pp. 3-27, 1996.

[9] Labat, D., Ababou, R., Mangin, A., Rainfall-runoff relations for karstic springs. Part II: continuous wavelet and discrete orthogonal multiresolution analyses. Journal of Hydrology, 238, pp. 149-178, 2000.

[10] Gaucherel, C., Use of wavelet transform for temporal characterisation of remote watersheds. Journal of Hydrology, 269, pp. 101-121,2002.

[11] Lafreniere, M., Sharp, M., Wavelet Analysis of inter-annual variability in the runoff regimes of glacial and nival stream catchments, Bow Lake, Alberta. Hydrological Processes, 17, pp. 1093-1118, 2003.

[12] Lucero, O., A., Rozas, D., Characteristics of aggregation of daily rainfall in a middle-latitudes region during a climate variability in annual rainfall amount. Atmospheric Research, 61, pp. 35-48, 2002.

1051

[13] Smith, L., C., Turcolte, D., L., Isacks, B., Stream flow characterization and feature detection using a discrete wavelet transform. Hydrological Processes, 12, pp. 233-249, 1998.

[14] Qian W.,Zhu Y., Liang J., Potantiel contribution of maximum subsurface Temperature anomalies to the climate variability. International Journal Climatol. 24, pp.193-212, 2004.

[15] Pisoft P., Kalvov J., Azdil R., Cycles and trends in Czech temperature series using wavelet transforms. International Journal of Climatology. 24, 1661-1670, 2004.

[16] Benner C.T., Center England temperatures: Long-Term Variability and Teleconnections. Int. J. Climatol.,19. pp. 391-403, 1999.

[17] Mwale D., Gan T.Y, Shen S.P., A New Analysis of Variability and Predictability of seasonal rainfall of Central Southern Africa for 1950-94. Int. J. Climatol. 24, pp.1509-1530, 2004.

[18] Naithani J., Deleersnijder, Plisnier P.D., Analysis of wind-Induced Thermocline Oscillations of Lake Tanganyika. Fluid Mechanics 3, pp.23-39. 2003.

[19] Golitsyn G.S., Efimova L.K., Mokhow I. I., Rumyantsew, Somova N.G., Khon V.CH., Ladoga and Onega Hydrological Rejimes and Their Variations. Water Resources, 29. pp.168-173, 2002.

[20] Liu P.C., Hawley N., Wave grouping characteristics in nearshore Great Lakes II. Ocean Engineering 29. 1415-1425, 2002.

[21] Partal T., Kucuk M., Long term trend analysis using discrete wavelet component of annual precipitation measurments in Marmara ragion (Turkey). Physic and chemistry of the Earth 31, pp 1189-1200, 2006.

[22] Bayazıt, M., Aksoy, H., Using wavelets for data generation. Journal of Applied Statistics, 28 (2), pp. 157-166, 2001.

[23] Partal T., Kisi O., Wavelet and neuro-fuzzy conjuntion model for precipitation forecasting. Journal of Hydrology 347, pp199-212, 2007.

[24] Kucuk, M., Kahya E., Cengiz T.M., Karaca M., North Atlantic Oscillation inluences on Turkish lake levels. Hydrological Processes. 23, pp. 893-906, 2009.

[25] Cengiz, T.M., Periodic structures of Great Lake levels using wavelet analysis. Journal of Hydrology and Hydromechanics. No.1, Vol 59, pp. 24-36, 2011.

[26] Smith, L., C., TURCOTTE, D., L., ISACKS, B., 1998: Stream flow characterization and feature detection using a discrete wavelet transform. Hydrological Processes, 12, pp. 233-249.

[27] Saco, P., Kumar, P., Coherent modes in multiscale variability of streamflow over the United States. Water Resources Research, 36 (4), pp. 1049-1067, 2000.

[28] Şensoy, S., The Mountains Influence on Turkey Climate, presented at the Balwoi Conference held on May 2004 in Ohrid, Macedonia., 2004.

[29] Polikar, R., The story of wavelets, in physics and modern topics in mechanical and electrical engineering, pp. 192-197. Mastorakis, N. World Scientific and Eng. Society Press. 1999.

[30] Daubechies, I., The wavelet transform, time-frequency localization and signal analysis. IEEE Transactions on Information Theory, 36 (5), pp. 961-1005, 1990.

[31] Kucuk, M., Agıralioglu, N., Stationary and non-stationary time series analysis aided by short time Fourier transform. III. National Atmosphere Symposium, March, 19-21, Istanbul, pp. 218-225, 2003.

[32] Meyer, Y., Wavelets Algorithms & Applications. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia,1993.

[33] Drago, A., F., Boxall, S., R., Use of the wavelet transform on hydro-meteorological data. Physics and Chemistry of the Earth, 27, pp. 1387-1399, 2002.

[34] Torrence, C., Compo, G., P., A Practical Guide to Wavelet Analysis. Bulletin of the American Meteorological Society, 79 (1), pp.61-78, 1998.

[35] Panizozo, A., Bellotti, G., Girolamo, P., D., Application of wavelet transform analysis to landslide generated waves. Coastal Engineering, 44, pp. 321-338, 2002.

[36] Web site. Available : http://www.r-project.org

[37] Coulibaly P., Burn DH., 2004: Wavelet analysis of variability in annual Canadian streamflows. Water Resources Research 47: w 03105, 2004.

1052

Investigation of Sugar Beet Based Cezer Production Opportunities

C. Kaya1*, E. E. Yücel1 M. Bayram,1S. Topuz1 1Tokat Gaziosmanpaşa University, Engineering and Natural Sciences Faculty, Department Of Food Engineering, Tokat, Türkiye

Abstract

In this study, beet produced in important quantities in our country and most of the sugar beet used in sugar

production was processed in to cezerye in order to increase the usage area and increase the added value of sugar beet.

In order to diversity the product and increase its acceptability, 7 different products were produced by adding 50% carrot,

10% and 20% cherry or orange juice concentrate to the formulation. Sensory and physicochemical analyzes were carried

out on the products to investigate whether the produced sugar beet cerium could be acceptable to the consumer. As a

result of the sensory evaluation, it was seen that the most favored product by the panelists was made by adding 20%

cherry juice concentrate, and all other products received acceptable scores by the consumers.

Key words: Sugar beet, Cezerye, Sensory evaluation, sour cherry, orange juice concentrate

1053

1. GİRİŞ

Şeker pancarı, Chenopodiaceae (Kazayağıgiller) familyasından Beta Vulgaris Saccharifea’ dır. İki yıllık bir bitkidir. Birinci yıl kök

kısmında besin maddeleri toplanır ve ikinci yıl bu maddeler kullanılarak çiçek ve tohumlar oluşturulur. Pancar çoğunlukla fazla soğuk

ve sıcak olmayan, yıllık yağış miktarı 600 mm.nin üzerinde olan bölgelerde yetiştirilir . Şeker pancarı 30o güney enlemi ile 60o kuzey

enlemleri arasında yetiştirilebilmektedir. Ülkemiz ise 36o ve 42o enlem derecesi arasında yer aldığından Türkiye’de de başarılı bir

şekilde pancar tarımı yapılmaktadır [1,2].

Şeker pancarının başlıca bileşenleri Çizelge 1’de de görüldüğü gibi sakkaroz, invert şeker, rafinoz, protein, selüloz, pektin, organik

asitler, mineral maddeler ve lipitlerdir [1].

Çizelge 1. Şeker pancarının ortalama kimyasal bileşimi

Bileşen Adı Taze Pancarda Miktarı (%)

Kuru Maddedeki Miktarı (%)

Su 76,5 ---

Toplam Kuru Madde 23,5 100

Sakkaroz 16,5 70,2

Pektin 2,5 10,7

Selüloz 1,2 5,1

Azotlu Maddeler 1,1 4,6

Mineral Maddeler 1,7 7,2

Lipidler 0,1 0,4

Diğerleri 0,4 1,8

Çizelge 1’den görüldüğü gibi pancarın yapısında sudan sonra en fazla bulunan madde sakkaroz (% 16,5) olup, toplam kuru maddenin yaklaşık % 70’ini

oluşturur. Ülkemiz pancarının şeker içeriği % 15–21 arasında değişmektedir [1].

Şeker pancarı ülkemizde önemli bir üretim potansiyeline sahiptir. Ülkemizde 272 990ha alanda yaklaşık 15.951 milyon ton şeker pancarı üretilmektedir

[3]. Şeker pancarının endüstride işlenmesiyle sanayiye hammadde olarak küspe, melas, melaslı kuru küspe, ispirto gibi pek çok yan ürün ortaya

çıkmakla birlikte asıl amaç, pancardan şeker üretmektir[4] .

Günümüzde gıda endüstrisinin ileri olduğu ülkelerde sıklıkla yeni geliştirilmiş gıdaların piyasaya sunulduğu görülmektedir. Ülkemizde

de buna benzer bir durum izlenmekte, kitle iletişim araçları ile tüketiciye yeni tip gıdalar tanıtılmaktadır. Yeni bir gıda maddesinin

geliştirilmesi çeşitli zorluklar içermektedir. Bu zorlukların en önemlisi sağlık açısından en ufak bir kuşku taşımayacak ürün eldesidir[5].

Son zamanlar da ülkemizde piyasaya sunulmuş bulunan yeni gıdalar incelenince bunların çoğunun dış ülkelerde öteden beri üretilmekte

olan ürünler olduğu yani sadece ülkemiz için yeni sayılabileceği görülür. Oysa ülkemiz yeni gıdaların geliştirilmesine zemin

oluşturacak zengin bir birikime sahiptir. Birçoğu yöresel nitelikte olan fazla sayıda geleneksel gıda maddesinin geliştirilmeye ve

üretimde teknolojilerinin modernize edilmeye elverişli olduğu düşünülmektedir [5].

Adana çevresinde ve diğer bazı yörelerimizde ticari amaçla üretilen cezeryenin esas ham maddesi havuçtur. Cezerye ya da diğer adıyla

ceziriye; havuç (TS 1193), şeker (TS 861), glikoz şurubu (TS 2066), yenilebilir nişasta (TS 2970), içme suyu (TS 266), katkı ve çeşni

maddeleri ile kuru meyvelerden bir veya birkaçının katılması ile tekniğine uygun olarak hazırlanan bir mamuldür [6].

1054

Cezeryenin enerji değerinin yüksek olması nedeniyle fazla miktarda tüketilmesi aşırı enerji alımı sonucu şişmanlığa yol açabilir.

Bireyler günlük enerji gereksinmelerini bilmeli, gıda türü ve miktarını iyi seçmelidir. Özellikle ara öğünlerde enerji gereksinimi artmış

bireylere, sadece enerji veren atıştırmalık gıdalar ve içecekler yerine besleyici değeri ve enerji değeri yüksek bir gıda olarak önerilebilir

[7]. Bu yüzden cezeryenin üretim ve tüketim miktarının arttırılması için konu ile ilgili çalışmalar yapılmalı, formülasyonu

standartlaştırılıp bileşim ve besin öğeleri belirlenmelidir. Enerji değerinin yüksek olması ve besleyici özellikleri nedeniyle özellikle

çocuklara, askerlere, sporculara, ağır işte çalışanların diyetlerine önerilebilir.

Günümüzde modernleşen yaşam tarzıyla birlikte tüketim miktarları giderek artan diğer şekerlemeler, cipsler vb. gibi yemeğe hazır

atıştırmalık gıdaların ve şekerli içeceklerin yerine cezerye gibi enerji ve besin içeriği yüksek geleneksel gıdalarımız önerilerek bunların

üretim ve tüketim miktarlarının arttırılmasına katkıda bulunulabilir. Bu tür atıştırmalık gıdalar ara öğünlerde sıklıkla tüketildiklerinde

dengesiz beslenmeye neden olabileceklerdir. Ara öğünlerde şekerlemeler ve cipsler gibi atıştırmalık gıdaların yerine cezerye gibi besin

öğeleri yönünden daha dengeli olan enerji veren gıdalar tüketildiğinde daha dengeli beslenme sağlanabilir [7].

Bu çalışmada Tokat yöresinde önemli miktarda üretilen ve şeker üretimi dışında kullanım alanı kısıtlı olan pancarın kullanım alanının

artırılmasının yanı sıra geleneksel bir ürün olan cezeryenin gerek üretim teknolojisi gerekse formülasyon açısından geliştirilmeye çok

elverişli bulunduğu da göz önüne alınarak çeşitliliğinin arttırılması amaçlanmıştır.

2. MATERYAL VE YÖNTEM

2.1. Materyal Araştırmada materyal olarak Turhal Şeker Fabrikasından temin edilen şeker pancarları, Tokat ilinde faaliyet gösteren bir manavdan

temin edilen turuncu havuç, Dimes A.Ş. den temin edilen vişne ve portakal suyu konsantreleri, ticari bir firmaya ait kristal toz şeker

ve sitrik asit (Merck marka) kullanılmıştır.

2.2. Yöntem

2.2.1. Cezerye Üretimi Çalışmada, şeker pancarı baz alınarak yapılan cezerye üretiminde Çizelge 1’de yer alan reçete uygulanmıştır. Çalışmadaki tüm

üretimler 2 tekerrürlü olarak gerçekleştirilmiştir.

Çizelge 1. Şeker pancarı bazlı cezerye reçetesi.

ÜRÜNLER

BİLEŞENLER (g)

Şeker

Pancarı Havuç Şeker Su

Sitrik

Asit

Portakal suyu

konsantresi

Vişne suyu

konsantresi

Şeker pancarı cezeryesi 1000 - 400 400 2 - -

Havuç cezeryesi - 1000 400 300 2 - -

Karışım cezerye 500 500 400 350 2 - -

%10 Vişne suyu kons şeker

pancarı cezeryesi 1000 - 400 400 2 - 100

%20 Vişne suyu konsantreli

şeker pancarı cezeryesi 1000 - 400 400 2 - 200

%10 Portakal suyu

konsantreli şeker pancarı

1000 - 400 400 2 100 -

%20 Portakal suyu

konsantreli şeker pancarı

1000 - 400 400 2 200 -

1055

Şeker pancarı ve havuç Şekil 1’deki üretim aşamalarına uygun olarak cezeryeye işlenmiştir. Buna göre şekerpancarları ve havuçlar

iyice temizlendikten sonra rendelenmiştir. Rendelenen şeker pancarı ve havuçlar yeterince haşlandıktan(~ 1 saat) sonra blendırdan

geçirilip püre haline getirilmiştir. Reçetede belirtilen miktarlarda pişirme kabına aktarılan püre halindeki pancar ya da havuçun üzerine

reçetede belirtilen miktarlarda şeker ve su ilave edilerek açık kazanda pişirme işlemine 1,5-2 saat devam edilmiştir. Ürün yapısı sürekli

kontrol edilip pişirme işlemi sonlandırılmadan önce reçetede belirlenen oranda sitrik asit, vişne ya da portakal suyu konsantresi ilave

edilerek homojen şekilde ürün içerisine dağılması sağlanmıştır. Bu sürede ürün sürekli karıştırılarak pişirme işlemine bir süre (~ 30

dk.) daha devam edilmiştir. Ürün uygun kıvama geldiğinde pişirme işlemi sonlandırılmıştır.

Havuç ve pancarların hazırlanması

Haşlanması

Püre haline getirilmesi

Şeker, su ve asit ilavesi

Pişirme

(~ 2 saat)

Katkı maddelerinin ilave edilmesi (sitrik asit, vişne, portakal suyu konsantresi)

Pişirme

(~ 30 dk.)

Nişastalanmış kalıplara dökme

Dinlendirme (8-24 saat)

Şekil verme

Pudra şekeri nişasta karışımı veya hindistan cevizine bulama

Ambalajlama

Şekil 1. Şeker pancarı bazlı cezerye üretim akış şeması

Cezeryenin uygun kıvama gelip gelmediğini anlamak için tencereden bir miktar cezerye alınıp bir tabla üzerine konulmuş biraz

soğuduktan sonra üzerine elle bastırılmıştır. El çekildiğinde cezerye parçası baskıda kalmayıp eski halini alması durumunda cezeryenin

istenen kıvama geldiği kararı verilip pişirme işlemi sonlandırılmıştır. Ürün düzgün yüzeyli üzeri nişasta kaplanmış tepsi üzerine

dökülerek oda koşullarında 24 saat dinlenmeye bırakılmıştır. Dinlendirilen ve istenen yapıya kavuşan ürün kesilip şekillendirilmiş ve

pudra şekeri ve nişasta karışımına bulanmıştır.

2.2.2. Uygulanan Analizler Çalışmada 7 farklı reçete kullanılarak üretilen cezerye örneklerinde aşağıdaki belirtilen analizler uygulanmıştır.

1056

pH Tayini

Homojenize hale getirilen örneklerden 10 gram alınıp 25 mL’ye saf su ile seyreltildikten sonra cam elektrodlu pH metre (Cyber-scan

marka) kullanılarak belirlenmiştir[8].

Titrasyon Asitliği Tayini

Blendırda homojenize hale getirilen örneklerden 10 gram alınıp 25 mL’ye saf su ile seyreltildikten sonra, pH: 8,1 oluncaya kadar

0,1 N NaOH ile titre edilmek suretiyle yapılmıştır. Toplam asit miktarı; sitrik asit cinsinden % (g/100g) olarak hesaplanmıştır [7].

Toplam Kuru Madde Tayini

Kuru madde tayini AACC 44-15A metoduna göre gravimetrik olarak yapılmış ve sonuçlar

%(g/100g) olarak ifade edilmiştir [8].

Su Aktivitesi(aw) Tayini

Örneklerin su aktivitesi değerleri AQUA LAB su aktivitesi tayin cihazında ölçülmüştür.

Kül Tayini

Sabit ağırlığa getirilen krozelerin içlerine hazırlanan örneklerden 3 g tartılıp, protherm furnaces marka kül fırınında örnekler

550±25 ºC’de tamamen beyaz renkli kül elde edilinceye kadar 6-8 saat yakılmış ve sonuçlar % (g/100g) olarak verilmiştir [8].

Renk Tayini

Örneklerin renk (L a b) değeri Chroma Meter CR- 300 minolta renk ölçüm cihazı ile tayin edilmiştir [8] .

Toplam Fenolik Madde (TFM) Miktarı Tayini

Toplam fenolik madde (TFM) miktarı Folin-Ciocalteu yöntemine göre spektrofotometre (T80 + Uv/Vıs Spectrometer) ile örneklerin

absorbanslarının 750 nm dalga boyunda ölçülmesiyle belirlenmiştir Örneklerin absorbansına karşılık gelen TFM miktarı, gallik asit

kullanılarak çizilen standart grafikten yararlanılarak hesaplanmış ve mgGAE/kg olarak ifade edilmiştir [9].

Duyusal Değerlendirme

Çalısmada üretilen cezerye örneklerinin duyusal değerlendirmesi Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümü

Öğretim Elemanlarıi ve öğrencilerinden oluşan 21 kişiyle gerçekleştirilmiştir. Panelistlere cezerye örneklerinin tat-aroma, tekstür, renk

özelliklerini 1-5 arasında puan verilmek suretiyle degerlendirmeleri istenmiştir [10].

3. BULGULAR ve TARTIŞMA

Çalışmada şeker pancarı ve havuç ile 7 farklı reçete kullanılarak üretilen ürünlerde yapılan pH, titrasyon asitiliği, toplam kurumadde,

toplam kül, su aktivitesi, renk ve toplam fenolik madde miktarı ve duyusal değerlendirme sonucunda elde edilen bulgular aşağıda

sırasıyla verilmiş ve tartışılmıştır.

4.1. Cezerye Örneklerinin Bazı fizikokimyasal özellikleri

1057

Yapılan analizler sonucunda cezerye örneklerinde elde edilen pH değerleri çizelge 2’de verilmiştir. Çizelgede de görüldüğü gibi en

yüksek pH değerine pH 4.66 ile %100 havuç kullanılarak elde edilen cezerye sahipken en düşük pH değerine (3.43) %20 portakal

suyu konsantresi ilave edilerek elde edilen şeker pancarı cezeryesi sahiptir.

Cezerye örneklerinde en yüksek titrasyon asitliği (1.71g/100g) ile en düşük pH’ya sahip olan %20 portakal suyu konsantresi ilave

edilerek elde edilen şeker pancarı cezeryesinde belirlenirken en düşük titrasyon asitliği değeri (0,17g/100g) ile %100 havuç

kullanılarak elde edilen cezerye örneğinde belirlenmiştir. Çizelge 5. Cezerye Örneklerinin Bazı özellikleri

Ürün

Havuç Cezeryesi Şeker Pancarı Cezeryesi

H100*

Karışım*

ŞP100* VK10* VK20* PK10* PK20*

pH 4.66 4.57 4.42 3.6 3.51 3.52 3.43

TA (g/100g) 0.21 0.17 0.17 0.59 1.03 0.95 1.71

TKM (g/100g) 70.89 65.88 75.91 69.88 76.87 67.84 76.56

Su Aktivitesi (aw)

0.83 0.86 0.86 0.76 0.70 0.76 0.67

Kül (%) 0.66 0.49 0.41 0.37 0.54 0.56 0.67

L değeri 46.85 42.78 41.70 18.52 12.71 22.53 35.53

adeğeri 21.20 14.14 0.46 11.72 22.10 2.30 1.06

b değeri 79.28 72.42 22.34 28.82 21.84 36.94 42.72

TFM (mg/kg) 62.38 107.57 112.92 562.47 725.11 278.23 490.52

*) H100: %100 Havuç içeren cezerye Karışım: %50 havuç %50 şeker pancarı içeren ŞP100: %100 şeker pancarı içeren VK10: %10 vişne suyu konsantresi ilaveli VK20: %20 vişne suyu konsantresi ilaveli PK10: %10 portakal suyu konsantresi ilaveli PK20:%20 portakal suyu konsantresi ilaveli

[5] Cemeroğlu ve Artık (1991) tarafından yapılan cezerye üretim teknolojileri üzerine araştırmalar adlı 12 farklı reçete kullanılarak

yapılan çalışmada örneklerin pH’ının 3.61- 4.32 arasında titrasyon asitliği değerlerinin de %0.37-1.05 arasında değiştiği bildirilmiştir.

Cezerye örneklerinde elde edilen toplam kurumadde değerleri incelendiğinde en yüksek kurumadde (%76.87) içeriğine sahip cezerye

örneği ile %20 vişne suyu konsantresi ilave edilerek elde edilen şeker pancarı cezeryesi olurken, en düşük kurumadde değerine

(%65.88) sahip örnek ise ile %50 havuç ve %50 şekerpancarı kullanılarak elde edilen karışım cezeryenin sahip olduğu görülmektedir

(Çizelge2).

Cezerye örneklerinin su aktivitesi değerleri 0.67-0.86 arasında değişmiştir. En yüksek su aktivite değeri (aw= 0.86) en düşük kurumadde

içeriğine sahip olan örnek karışım cezerye olurken en düşük su aktivitesi değerine (aw= 0.67) ile %20 portakal suyu konsantresi ilave

edilerek elde edilen şeker pancarı cezeryesi olmuştur.

[5] Cemeroğlu ve Artık (1991) tarafından yapılan cezerye üretim teknolojileri üzerine araştırmalar adlı 12 farklı reçete kullanılarak

yapılan çalışmada örneklerin toplam kuru madde miktarlarının % 79.04-92.57 arasında değiştiği belirtilmiştir. Çalışmalardaki toplam

kuru madde miktarları arasındaki farklılığın uygulanan pişirme işlemi sürelerinin ve üretimlerde kullanılan reçetelerin farklı

olabilmesinden kaynaklanabileceğini düşündürmektedir.

Cezerye örneklerinde kül miktarı % 0.37- 0.67 arasında değişiklik göstermiştir. En yüksek kül içeriği %20 portakal suyu konsantresi

kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi belirlenirken en düşük kül içeriği ise, %10 vişne suyu konsantresi ilave edilerek elde

edilen şeker pancarı cezeryesinde belirlenmiştir.

[5] Cemeroğlu ve Artık (1991) tarafından yapılan çalışmada cezerye örneklerinin kül içeriğinin % 0.51-1.13 arasında değiştiği

belirtilmiştir.

1058

Cezerye örneklerinde L değeri 12.71-46.85, a değeri 0.46-22.10 ce b değeri 21.85-79.28 arasında belirlenmiştir. En yüksek L ve b

değerine %100 havuç kullanılarak üretilen havuç cezeryesi sahipken en yüksek a değerine %20 vişne suyu ilave edilerek elde edilen

şeker pancarı cezeryesi sahip olmuştur. E n düşük L ve b değeri %20 vişne suyu konsantresi kullanılarak elde edilen şeker pancarı

cezeryesinde ölçülürken en düşük a değeri ise %100 şeker pancarı cezeryesinde belirlenmiştir.

Çalışmada üretilen şeker pancarı bazlı cezerye örneklerinin toplam fenolik madde miktarı 62.38- 725.11mg/kg arasında belirlenmiştir.

En yüksek fenolik madde içeriğine sahip cezerye örneği %20 vişne suyu konsantresi kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi

olurken, en düşük toplam fenolik madde içeriğine sahip cezerye örneği ise, %100 havuç kullanılarak üretilen cezerye örneği olmuştur.

3.2. Cezerye Örneklerinin Duyusal Özellikleri

Şeker pancarı bazlı olarak değişik formülasyonlarla üretilen cezerye örneklerinde gerçekleştirilen duyusal değerlendirmelere ilişkin

bulgular Çizelge 3’te verilmiştir. Çizelgeden de görüleceği gibi kontrol örneği kabul edilen %havuç kullanılarak üretilen cezerye

örneği dikkate alınmadığında, renk, sertlik ve esneklik ve genel değerlendirme bakımından en çok beğeniyi %20 vişne suyu konsantresi

kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi alırken, süreklilik, tat ve aroma bakımından en çok beğeniyi %10 vişne suyu konsantresi

kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi almıştır.

Renk, sertlik, esneklik, yapışkanlık, süreklilik, tat ve aroma bakımından ise en az beğeniyi %50 havuç ve %50 şeker pancarı

kullanılarak elde edilen karışım cezeryesi almıştır. Genel olarak değerlendirildiğinde en çok beğeniyi alan %20 vişne suyu konsantresi

kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi alırken en az beğeniyi karışım cezerye örneği almıştır.

Çizelge 3. Cezerye örneklerinin duyusal özellikleri

Özellik 100* VK10* VK20* PK10* PK20* Karışım* ŞP100*

Renk 4.29 3.88 4.11 2.76 2.64 3.47 2.94

Sertlik 3.88 2.88 3.64 3.41 3.29 2.76 2.88

Esneklik 3.64 3.52 4 3.88 3 3 3

Yapışkanlık 4.14 3.28 3.14 3.28 3.14 2.85 3.3

Süreklilik 3.42 3.85 3.14 3.14 3.28 2.7 3

Tat-Aroma 3.8 3.82 3.67 3.46 3 2.85 3

Genel

3.23 3.4 3.64 3.36 3.1 2.82 2.85

4. SONUÇ

1059

Ülkemizin ve yöremizin en önemli geçim kaynaklarından birini oluşturan şeker pancarının; kullanım alanını artırmak geleneksel bir

ürünümüz olan cezeryenin üretim ve tüketimini yaygınlaştırmak amaçlı yeni bir ürün olarak gerçekleştşrilen şeker pancarından cezerye

üretiminde meyve suyu konsantresi ilaveleri ile ürünün duyusal özelliklerinin geliştirilebileceği görülmüştür. En fazla beğeniyi % 20

vişne suyu konsantresi kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi alırken ikinci sırayı %10 portakal suyu konsantresi ve %10

vişne suyu konsantresi kullanılarak elde edilen şeker pancarı cezeryesi almıştır.

Yapılan bu üretimlerde istenen düzeyde bir tekstür elde etmekte oldukça zorluklar yaşanılmış olup ticari ürünlerde tekstürün daha iyi

olduğu görülmüştür. Pişirme süresi uzatılarak istenen ürün tekstürünün elde edilebileceği düşünülmüştür.

Şeker pancarı cezeryesinde aroma ve lezzeti geliştirmek ve zenginleştirmek için üretimde çeşitli meyve suyu konsantrelerine yer

verilmesinin uygun olacağı görülmüş olup farklı meyve suyu konsantreleri ve katkı maddeleri kullanılarak ürün çeşitliliği

arttırılabilecektir. Önemli bir iç tüketim hatta ihracat potansiyeline sahip olabileceğine inandığımız bu ürünlerin endüstriye

aktarılmasının son derece önemli olduğu düşünülmektedir.

KAYNAKLAR

[1] Altan, A., 2010. Özel Gıdalar Teknolojisi. Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Genel Yayın No:178. Kitapları Kitapları ayın No; A-55. Ofset

Atölyesi. Adan. 251 s.

[2] Yıldırım, A., 2008. Kırklareli İlinde Geleneksel Olarak Üretilen Pancar Pekmezlerinin Bazı Kimyasal Özellikleri Üzerine Bir Araştırma. Yüksek Lisans Tezi. Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Tekirdağ.

[3] Anonim. 2016. Pankobirlik “Dünya. AB ve Türkiye Şeker İstatistikleri” http://pankobirlik.com.tr/ISTATISTIKLER.pdf

[4] Özdeş Akbay. A.. 2003. Türkiye’de Şeker Üretiminin Ekonomik ve Sosyal Karlılığının Değerlendirilmesi. Adana İl Planlama Ve Koordinasyon Müdürlüğü. Ankara.

[5] Cemeroğlu, B. ve Artık, N., 1991. Ceziriye Üretim Teknolojisi Üzerinde Araştırmalar. Bursa II. Uluslararası Gıda Sempozyumu. Bursa. 249.

[6] Anonim, 2014. http://kishazirliklari.blogspot.com/2009/09/pismaniyecezeryepestil.html (03.01.2014). Atölyesi. Adana. 7.

[7] Özer. E. A.. Akyıldız. A.. Aksay. S.. Ağaçam. E. ve Bobuş. G.. 2010. Cezerye Üretimi Ve Bazı Özellikleri. 1. Uluslar Arası “Adriyatik’ten Kafkaslar’a Geleneksel Gıdalar” Sempzoyumu. Tekirdağ. 771.

[8] Cemeroğlu, B., 2010. Gıda Analizleri. Gıda Teknolojisi Derneği Yayınları No: 34. Ankara, 657 s.

[9] Singleton, V. L., And Rossi, J.L., 1965. Colorimetry Of Total Phenolics With Phosphomolybdic-Phosphotungstic Acid Reagents. Amer. J. Enol. Vitic. 16: 144-158.

[10] Altuğ Onoğur. T.. Elmacı. Y.. 2011. Gıdalarda Duyusal Değerlendirme. Sidas Medya Ltd. Şti.. İzmir. 134 s.

1060

Homogeneity Analysis of Precipitation Overlake the Great Lakes Region

T.M.Cengiz1,*

1Department of Civil Engineering, Tekirdag NKU Corlu Engineering Faculty, Tekirdag Turkey

Abstract Confidence and quality of historical data are subjected to keen evaluation before a study in water resources, hydrological processes, and climate change studies. The main objective this study is to examine homogeneity through the analysis of precipitation overlake in The Great Lakes Region of North America. For the homogeneity analysis of annual precipitation overlake, homogeneity tests were used in 6 stations in 1900-2016 period. Homogeneity was investigated using Double-Mass curves (DMC), Standard Normal Homogeneity (SNH), Pettit, Buishand (BR) and Von Neumann (VNR) tests at a significance level of 0,05. Long-term precipitation overlake records taken from six meteorological stations, were analyzed by each of the five homogeneity tests. Based on annual precipitation overlake data, the results of DMC, BR, VNR and SNH tests indicated the six stations as homogeneous. But Pettit test exhibited inhomogeneous result for two stations. There were small differences between the various test-statistics. The results were determined by classifying the stations into 3 categories, which are useful, doubtful and suspect. As a result, the annual precipitation overlake data can be assessed as homogenous.

Keywords: Annual Precipitation Overlake, The Great Lakes, Homogeneity, Double-Mass Curves.

1. INTRODUCTION

Long-term precipitation series constitute ample importance in study of natural variability of climate and hydrology. In the course of the past decade years, considerable effort has been concerned toward the identification and adjustment of inhomogeneities in hydrological time series. The hydrological data may be incurred non-climatic factors that result in inhomogeneity of historical records. Long- term hydrological records often usually contain variations caused by changes in site exposure, location, observer and observering procedures.1 The reliable measurements of the hydrological data are essential for the hydrological and climatic analyses. For this sense the homogeneity of the data recorded at meteorological stations must be tested before any statistical and climatic research. Therefore, several methodologies were evolved for appraisal of homogeneity. Many techniques have been developed for recognition and arrangement of inhomogeneities in climatological datasets [1]. The homogeneity tests of time series are classified into two groups as ‘absolute method’ and ‘relative method’. The absolute method is applied for each station singly, whereas relative method is dependent on the neighboring stations [2]. The relative test may give good result in case of the high correlation between the candidate stations and enough number of neighboring stations. In general, it is advised to use homogeneity tests realtively [1]. In these study were executed both method for precipitation data. Most techniques are based on relative homogeneity that involves the comparision of a candidate series with a reference series [3]. Pioneering works in the homogeneity developed by reference Conrad and Pollack [4] characterize a homogeneous time series as one in which chances are caused by oneself weather and the climate.

A considerable amount of study has been published on testing the homogeneity of precipitation and temperature data series. For example, Tuomenvirta et al. [5] used the SNHT test for checking the

1 Corresponding author. Tel.: +90 282-2502321: fax: +90 282 2509924. E-mail address: tcengiz@nku.edu.tr (T.M.Cengiz)

1061

homogeneity of the monthly temperature data series. Wijngaard et al. [2] executed the SNHT, BR, Pettit and VNR tests to reveal homogeneity of daily precipitation and temperature data series. Several studies topical in Turkey have been declared for reliability and homogeneity of the precipitation data series. Yıldırım et al.[6] exerted a Kruskall Wallis test in their study to test the homogeneity of precipitation data. [7] Kahya et al.[7], the SNH, Pettit and BR tests. Karabörk et al. [8], carried out two absolute homogeneity tests in 212 meteorological stations for precipitation data, which were SNHT and Pettit tests and stations were considered 43 out of 212 stations resulting in inhomogeneity. The Kruskal-Wallis (K-W) test is a nonparametric test. It mainly tests whether a single distribution of a station Turkeş et al. [9], executed for determining whether the data are homogenious or not using K-W test. Homogeneity analyses applied to precipitation and temperature series of Turkey can be found in Turkeş [10].

Most homogenization techniques have been applied to temperature series although other variables such as precipitation [11] have been examined [11], [3]. Al-Lami et all. [12] executed the homogeneity test for examining the reliability of annual rainfall series in Iraq from 1981 to 2010 using the SNHT, the BR, Pettit and VNR tests. Their outcomes showed that 30% of stations was inhomogeneous at 5 % significance level. Talaee et al. [13] tested homogeneity of rainfall data in Iran belonging to 1966-2005 using the Bayesian, Cumulative Deviations, and VNR test at 5% significance level. They found that monthly precipitation data series for all stations are homogeneous and considered ‘monthly precipitation data series useful’ but monthly precipitation data series belonging 7 out of 41 stations are inhomogeneous according to the VNR test. And the asserted that the VNR test is more sensitive to detecting the inhomogeneity in the precipitation data series than the other tests.

This study was implemented to detect the homogeneity of annual precipitation data series at six meteorological stations located in North America using four absolute test as SNH, Pettit, BR, VNR and one relative test.

2. DATE AND METHODOLOGY

The Great Lakes hold almost one-fifth of the world's surface fresh water. The Great Lakes, is a group of six large freshwater lakes in central North America, interconnected by natural and artificial channels. From West to east they are Lake Superior, Lake Michigan, Lake Huron, Lake St. Claire, Lake Erie and Lake Ontario. Lake levels are determined by precipitation, upstream inflows, surface water runoff, evaporation, diversions and water-level regulation. A mass balance between the amount of water entering the watershed and the amount exiting the watershed shows the relationship of these variables on lake water levels. Climate conditions control the amount of precipitation and the rate of evaporation. These two factors are the primary factors influencing lake water levels. The lakes depend on a large influx of water from the surrounding areas over winter. When above-average precipitation combined with cool and cloudy weather occurs, the water levels rise. Conversely, long periods of below-average precipitation with warmer weather result in lower water levels. In addition, during the winter months, in the absence of an ice layer, water will evaporate out of the lakes [14], [15]. In this study historical records of precipitation time series taken from six climate stations provided on the internet site [16]. This historical data has been prepared by Thomas E. Croley II, Timothy S. Hunter, and S. Keith Martin. Correlation coefficients of the lakes levels between each other are seen in Tab. 2. Detailed statistics of precipitation overlake records of the region is presented in Table I.

I have used the long time series of annual total precipitation (mm) spanning the period 1900-2016. A statistical summary of the region precipitation is presented in Table1. Historical records of precipitation overlake taken from six climate stations these Lake Superior, Lake Michigan, Lake Huron, Lake St. Clair, Lake Erie and Lake Ontario stations. The geographical locations of the stations are shown in Figure 1. An easy way to comply with the conference paper formatting requirements is to use this document as a template and simply type your text into it.

Table I. Detailed statistics of stations’ precipitation over lake data series.

Stations The number of observed years The period Minimum Maximum. Mean Std. Dev. L. Superior 116 1900-2016 750,6 978,7 554,2 91,8 L. Michigan 116 1900-2016 799 996,5 543,5 87,8 L.Huron 116 1900-2016 796,6 1092,4 482,1 97,8 L. St. Clair 116 1900-2016 801,6 1340,6 463,4 142,8 L. Erie 116 1900-2016 868,6 1329,8 565,9 129,7 L. Ontario 116 1900-2016 844,2 1088,9 674,3 96,1

1062

Fig. 1. Locations of the meteorological stations in the Great Lakes Region [17]

2.1. Homogeneity tests

A lot of methods have been used to test the homogeneity of the precipitation data. In this study, five homogeneity tests were selected; namely Double-Mass Curve (DMC), SNHT, BR test, Pettit test, VNR test.

The double mass curve (DMC).

The method of double mass curve (DMC) is often used in the analysis of the consistency of hydro-meteorological factors and their inter-annual variations. DMC is a simple, visual and practical method, and it is widely used in the study of the consistency and long-term trend test of hydrometeorological data [18].

The DMC is used to check the consistency of many kinds of hydrologic data by comparing data for a single station with that of a pattern composed of the data from several other stations in the area. The double-mass curve can be used to adjust inconsistent precipitation data. In hydrologic studies, the use of the cumulations of two measured variables plotted as a double-mass curve may give indefinite results because we may be unable to say which of the variables caused a break in slope. To give more definite results, the cumulations of one of the variables can be plotted against the cumulations of a pattern composed of all similar records in a given area [19]. The methods for applying the double-mass curve technique to hydrologic data and the way the results are used vary somewhat with the type of data being analyzed. Therefore, the application of the double-mass curve to records of precipitation, runoff, sediment, and precipitation-runoff are treated separately in this manual even though this requires some repetition. Precipitation, unlike others, is little affected by works of man. Moreover, records of precipitation are often longer than records of other hydrologic data. For these reasons, precipitation records are invaluable in hydrologic studies involving trends. Before precipitation records are used in such studies, they should be tested by the double-mass curve technique to ensure that any trends detected are due to meteorological causes and not to changes in gage location, in exposure, or in observational methods.

Standard Normal Homogeneity Test (SNHT) The use of the standard normal homogeneity test (SNHT) for homogenization of climatological records and studying changes in their patterns has increased in recent years. This method was recommended by Alexanderson [1]. The SNHT is very sensitive to breaks near the beginning and the end of a series.

A statistic T(y) is used to compare the mean of the first y years with the last of (ny) years and can be written as below:

Ty =yz1� + (n − y)z2� y=1,2,3…n (1) where z1� = 1

y∑ (Yi−Y�)

sni=1 and z2� = 1

(n−y)∑ (Yi−Y�)

sni=y+1 (2)

The year y consisted of break if value of T is maximum. To reject null hypothesis, the test statistic,

T0 =max1≤y≤n Ty (3)

is greater than the critical value, which depends on the sample size as seen in Table II.

1063

Table II. Critical values of the SNHT statistic T for various sample sizes and corresponding to 5 % critical level.

n 20 40 60 80 100 120 5% 9,11 8,15 8,65 8,95 9,17 9,33

Pettit test

The Pettitt's test is a nonparametric test that requires no assumption about the distribution of data. This test is based on the rank, ri of the Yi and ignores the normality of the series.

Xk = 2∑ riyi=1 − y(n + 1), y = 1,2,3, … . . n (4)

The break occurs in year k when

Xk = max1≤y≤n �Xy� (5) the critical value of the test are given in Table III.

Table III. Critical values of the Pettit test statistic for various sample sizes and corresponding to 5 % critical level.

n 30 40 50 70 100 120 5% 107 167 235 393 677 690

Von Neumann Ratio Test (VNT)

This test is extensively used for testing the homogeneity. It is a test that used the ratio of mean square successive (year to year) difference to the variance [20]. The test statistic is shown as follows:

N = ∑ (Yi−Y İ+1)2n−1i=1∑ (Yi−Y�)2n

i=1 (6)

if the sample contains a break, then the value of N tends to be lower than this expected value [21]. If the sample has rapid variations in the mean, then values of N might rise above 2 [22]. Table IV gives critical values for N.

Table IV. Critical values of the VNT statistic T for various sample sizes and corresponding to 5 % critical level.

n 20 30 40 50 70 100 120 5% 1,30 1,42 1,49 1,54 1,61 1,67 1,70

Buishand rang test

The Buishand range test is more sensitive to breaks in the middle of a time series [23]. The adjusted partial sum is defined as:

S0∗ = 0, and Sy

∗ = �(Yi

y

i=1

− Y�) y = 1,2,3 … . n (7)

When the series is homogeneous, then the value of S0* will rise and fall around zero. The year y has break when Sy* has reached a maximum (negative shift) or minimum (positive shift). Rescaled adjusted range, R is obtained by

𝑅𝑅 = (max 0≤y≤n Sy

∗−min 0≤y≤n Sy∗ )

s (8)

The R/√n is then compared with the critical values given by reference [21] in Table V.

Table V. Critical values of the BR statistic T for various sample sizes and corresponding to 5 % critical level.

n 20 30 50 70 100 120 5% 1,40 1,50 1,55 1,59 1,62 1,63

1064

2.2 Assessment of Results In this study, while the homogeneity analysis was performed, the Double-Mass Curve method was only visually examined. The test results, SNHT, SNHT, BR test, Pettit test, VNR test, are classified as follows as in Wijngaard et al. [24].

a) Class A: Useful

The series that rejects one or none null hypothesis under the four tests at 5% significance level are considered. Under this class, the series is grouped as homogeneous and can be used for further analysis.

b) Class B: Doubtful

The series that reject two null hypotheses of the four tests at 5% significance level is placed in this class. In this class, the series have the inhomogeneous signal and should be critically inspected before further analysis.

c) Class C: Suspect

When there are three or all tests are rejecting the null hypothesis at 5% significance level, then the series is classified into this C.

3. RESULTS AND DISCUSSION Annual total precipitation overlake of each station was tested by the relative and the absolute test. The homogeneity of annual precipitation overlake data was tested for six station in the North great Lakes by using DMC, SNH, BR, Pettit and VNR test. The result of each homogeneity tests were checked at a 5% significance level and inhomogeneities were identified. Annual total precipitation overlake of each station are tested by the four homogeneity tests. Critical values taken from Wijngaard et al. [24] for SNHT, BR test, Pettit test and VNR test are 9,33, 1.63, 690 and 1.70 respectively.

In the analysis of SNHT results, the stations with a test statistic higher than 9,33 are considered to be inhomogeneous for 116-year-long series. The results of SNHT are indicated in the annual precipitation overlake series of 6 stations are homogenous.

According to Buishand test the results of homogeneity tests for annual precipitation overlake series at all the station found to be homogenous.

Three out of the six considered stations have an inhomogeneity according to the results of the Von Neumann test a significance level of 0,05. In fact, annual precipitation overlake time series Lake Huron, Lake Erie and Lake Ontario stations were found to be inhomogeneous by applying the Von Neumann test. It should be noted that the stations with the Von Neumann test statistic lower than 1,67 are considered to be inhomogeneous for a 116 year-long data.

According to the results of the Pettit Test, annual precipitation overlake data series belonging to 3 out of six stations were found to be inhomogeneous. Lake Superior, Lake St. Clair and Lake Huron stations were determined homogeneous. However, Lake Michigan, Lake Erie and Lake Ontario stations were concluded as inhomogeneous.

To perform the double mass curve analysis, the procedure involved plotting of successive cumulative annual precipitation collected with the cumulative annual precipitation. A straight double mass curve indicates a consistent precipitation record. A bend in the curve indicates that the records have been affected by artificial changes in exposure or observer. Time-series of cumulative precipitation data were plotted. Figure 2 represents the relationship between cumulative precipitation and the others cumulative precipitation for the period of study 1900-2016. Each curve exhibits the same general relationship with similar slopes. The precipitation record of a single station is plotted accumulatively against the accumulated precipitation base pattern. A straight double mass curve were seen at six stations in DMC. The curves six precipitation overlake time series were found to be homogeneous.

Table VI shows the results of the homogeneity tests for annual precipitation overlake in the six stations. Based on the results, precipitation overlake Superior and St. Clair ere homogeneous since the null hypothesis for the SNHT, BR test, Pettit test and VNR test are not rejected at 5% level of significance. These data can be considered as “useful” and can be used for further analysis. In fact, the annual precipitation overlake data belonging to Lake Michigan station showed inhomogeneity characteristic according to Pettit test. Similarly Lake Huron station ‘data were found inhomogeneity characteristic according to VNR test. These two station’s precipitation overlake data can be considered as “useful”. As Shown in Table VII , Lake Erie and Lake Ontario stations were found to be inhomogeneous based on the result of the Petit and VNR test. The series were labeled as ‘doubtful’. In this study, there aren't any station is considered as ‘suspect’ when annual precipitation is used.

1065

Fig. 2. The results of the DMC for precipitation overlake in the Great Lakes

Table VI. The results of the homogeneity tests for precipitation overlake in the Great Lakes.

SNHT T. T statistic T critical Result VNR T. T statistic T critical Result L. Super. 3,6 9,32 Passed L. Super. 1,78 1,67 Passed L.Mich. 7,89 9,32 Passed L.Mich. 1,99 1,67 Passed L.Huron 2,97 9,32 Passed L.Huron 1,47 1,67 Rejected L.St. Cl. 5,90 9,32 Passed L.St. Cl. 1,68 1,67 Passed L.Erie 4,30 9,32 Passed L.Erie 1,64 1,67 Rejected L.Ontario 7,80 9,32 Passed L.Ontario 1,63 1,67 Rejected

Pettit T. T statistic Tcritical Result BR T. T statistic T critical Result L. Super. 605 687 Passed L. Super. 0,03 1,62 Passed L.Mich. 1112 687 Rejected L.Mich. 0,06 1,62 Passed L.Huron 655 687 Passed L.Huron 0,02 1,62 Passed L.St. Cl. 680 687 Passed L.St. Cl. 0,06 1,62 Passed L.Erie 951 687 Rejected L.Erie 0,11 1,62 Passed L.Ontario 1026 687 Rejected L.Ontario 0,07 1,62 Passed

Table VII. Comparing the results of homogeneity tests for different testing variables

Station DMC SNHT BR Pettit Test VNR L.Superior Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous L.Michagen Homogeneous Homogeneous Homogeneous Inhomogeneous Homogeneous L.Huron Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous Inhomogeneous L.St. Clair Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous L.Erie Homogeneous Homogeneous Homogeneous Inhomogeneous Inhomogeneous L.Ontario Homogeneous Homogeneous Homogeneous Inhomogeneous Inhomogeneous

4. CONCLUSION

The study aims to check of the homogeneity of annual precipitation overlake data. For this purpose, five homogeneity tests were applied to the prepared climate data from six station located in the Great Lakes region. The inhomogeneous precipitation overlake time series were analyzed at a significance level of 0,05. Homogeneity of the annual precipitation overlake serie was detected successfully by using annual total precipitation as the testing variable. According to the results of DMC, SNHT and BR tests, annual precipitation data series were homogeneous all stations. According to the results of the Pettit test and VNR test, annual precipitation overlake series belonging to 3 ouf of 6 stations were found to be inhomogeneous. Moreover, the high number of the inhomogeneity were obtained from Pettit and VNT test in the annual precipitation overlake series.

The results were assessed by classifying the stations into 3 categories, which are useful, doubtful and suspect. Lake Superior and Lake St. Clair stations are homogeneous, and hence these stations can used for further analysis. However, there are 2 stations, Lake Michigan and Lake Huron with only one inhomogeneous test

1066

result, are homogeneous and “useful” too. Lake Erie and Lake Ontario stations are inhomogeneous according to two tests results and these data series are considered “doubtful”.

The results of the homogeneity tests suggest that the annual precipitation overlake series are homogenous in the Great Lakes region North America. Finally, I hope that the results of the present study would be a reference for future to researchers who studied on the hydrological, climate change, water resources, and etc.in the Great Lakes region. The results of the study indicate that double mass technique is reliable.

REFERENCES [1] Peterson, T. C., R. S. Vose R. Schmoyer and V. Razuvaev., Global Historical Climatology Network (GHCN) Quality

Control of Monthly Temperature Data., International Journal of Climatology, 18, 1169-1179, 1998.

[2] Wijngaard J.B., Kleink Tank AMG., Homogeneity of 20th Century European Daily Temperature and Precipitation Series, Int. J. Climate 23, 679-692, 2003.

[3] Lucie A., Vincent and X.Zhang. Homogennization of Daily Temperatures over Canada, Journal Climate 15; 1322-1334, 2001.

[4] Condrad V, Pollak,L.W.. Methods in Climatology. Cambridge, Massachuset, 1950.

[5] Tuomenvirta H., Alexandersson H., Drebs A., Frich P. & Nordli PO., Global Historical Climatology Network (GHCN) quality control of monthly temperature data. J.Climate 13 (5), 977-990, 2000.

[6] Yıldırım Y E, T¨urkes¸ M, Tekiner M. Time-series analysis of long-term variations in stream-flow data of some stream-flow stations over the Gediz basin and in precipitation of the Akhisar station. Pakistan J. Biol. Sci. 7(1): 17–24, 2004

[7] Peterson, T. C., R. S. Vose R. Schmoyer and V. Razuvaev, Global Historical Climatology Network (GHCN) Quality Control of Monthly Temperature Data., International Journal of Climatology, 18, 1169-1179, 1998.

[2] Wijngaard J.B., Kleink Tank AMG., Homogeneity of 20th Century European Daily Temperature and Precipitation Series, Int. J. Climate 23 679-692, 2003.

[3] Lucie A., Vincent and X.Zhang. Homogennization of Daily Temperatures over Canada, Journal Climate 15; 1322-1334, 2001.

[4] Condrad V, Pollak,L.W.. Methods in Climatology. Cambridge, Massachuset, 1950.

[5] Tuomenvirta H., Alexandersson H., Drebs A., Frich P. & Nordli PO., Global Historical Climatology Network (GHCN) quality control of monthly temperature data. J.Climate 13 (5), 977-990, 2000.

[6] Yıldırım Y E, T¨urkes¸ M, Tekiner M. Time-series analysis of long-term variations in stream-flow data of some stream-flow stations over the Gediz basin and in precipitation of the Akhisar station. Pakistan J. Biol. Sci. 7(1): 17–24, 2004

[7] E Kahya, B. B Arıkan, E Akdeniz. Homogeneity Analysis of Precipitation Series in Turkey. Conference of International Congress on Advances in Civil Engineering, September 21-23, 2016.

[8] M.¸ Cagatay Karabork, Ercan Kahya, and Ali Umran Komuscu. Analysis of Turkish precipitation data: homogeneity and the Southern Oscillation forcings on frequency distributions. Hydrol. Process. 21, 3203–3210, 2007.

[9] Türkeş, M. and Erlat, E. Influence of the Arctic Oscillation on variability of winter mean temperatures in Turkey. Theoretical and Applied Climatology 92: 75-85, 2008.

[10] Türkeş, M. 1999. Vulnerability of Turkey to desertification with respect to precipitation and aridity conditions. Turkish Journal of Engineering and Environmental Science, 23: 363-380, 1999.

[11] Perreault, L., M. Haché, M. Slivitzky, and B. Bobée, 1999: Detectionof changes in precipitation and runoff over eastern Canada and U.S. using a Bayesian approach. Stochastic Environ. Res. Risk Assess., 13, 201–216, 1999.

[12] AL-Lami, et al.,.Applied the homogeneity tests for examining the reliability of annual rainfall series in Iraq. Iraqi Academic Scientific journals 10 (2), 60-97, 2014.

[13] Hosseinzadeh Talaee and Mahdi Kouchakzadeh and B. Shifteh Some. Homogeneity analysis of precipitation series in Iran. Theory App. Climatol. 1007-101, 2014.

[14] Gauthier, R. Living with the Lkes. Understanding and AADOPTİNG TO THE Great Lakes. Water level changes. U.S. Army Corpes of Engineering and The Great Lakes, 1999.

[15] Kurth J. Shrinking Great Lakes threat Michagen way of life. The Detroit News. January, 2002.

[16] Website 2014. Available : http://www.lre.usace.army.mil/greatlakes/hh/greatlakeswaterlevels/historicdata

[17] Web site. Available : http://www.freeworldmaps.net/united-states/great-lakes/map.html

[18] Mu, X. M., Zhang, X. Q., Gao, P., and Wang, F.: Theory of double mass curves and its applications in hydrology and meteorology, J. China Hydrology, 30(4), 47–51, 2010.

[19] Merriam, C. F. A comprehensive study of the rainfall on the Susquehanna valley: Am. Geophys. Union Trans., pt. 2, p. 471-476, 1937.

1067

[20] Von Neumann J. 1941. Distribution of the ratio of the mean square successive difference to the variance. Annals of Mathematical Statistics 13: 367–395.1941.

[21] Buishand TA. 1981. The analysis of homogeneity of long-term rainfall records in the Netherlands. KNMI Scientific Report, WR 81-7, De Bilt,.The Netherlands, 1981.

[22] Bingham C, Nelson LS. An approximation for the distribution of the Von Neumann ratio. Technometrics 23: 285–288, 1981.

[23] Hawkins M., Testing a sequence of observations for a shift in location. Journal of the American Statistical Association 72: 180-186, 1977.

[24] Wijngaard JB, Klein Tank AMG, Konnen GP. Homogeneity of 20th century European daily temperature and precipitation series. International Journal of Climatology 23: 679–692, 2003.

1068